DE69822954T2

DE69822954T2 - Neigungskompensierter induktiver Positionsgeber

Info

Publication number: DE69822954T2
Application number: DE69822954T
Authority: DE
Inventors: Nils I. Andermo; Karl G Masreliez
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2018-08-22
Also published as: EP0905484A2; CN1167936C; CN1213769A; EP0905484A3; JPH11160007A; DE69822954D1; JP3420948B2; US5998990A; EP0905484B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf das Messen einer relativen Bewegung oder Position zweier Glieder mittels Signalen, die durch Magnetfelder induziert werden. Insbesondere betrifft die Erfindung einen induktiven Positionsgeber, der bestimmte Potentialsignalfehler bei einem Lesekopf kompensiert, der nicht genau parallel zu einem Skalenglied liegt.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Derzeit sind verschiedene Bewegungs- oder Positionsgeber erhältlich, z. B. optische, kapazitive, magnetische und induktive Geber (auch "Umformer" genannt). Bei diesen Gebern werden häufig ein Sender und ein Empfänger in verschiedenen geometrischen Konfigurationen angeordnet, um die relative Bewegung zweier Teile des Gebers zu messen.
Optische, kapazitive und magnetische Geber sind jedoch schmutzempfindlich. Die Anwendung derartiger Geber ist daher in den meisten Fertigungs- oder Verkaufsladenbereichen unpraktisch. Die Anwendung derartiger Geber in einem Verkaufsladenbereich erfordert kostspielige und manchmal unzuverlässige Abdichtungen gegenüber der Umgebung oder andere Verfahren der Einkapselung des Gebers, um den Geber gegen eine Verschmutzung durch Staub, Öle und ferromagnetische Teilchen zu schützen.
Die EP 0 743 508 A1 beschreibt einen induktiven Positionsgeber für Anwendungsfälle, in denen eine sehr genaue Messung erforderlich ist.
Die GB 2 313 199 A beschreibt inkrementelle induktive Schieblehren und lineare Skalen, die Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltungen aufweisen.
Die GB 2 321 710 A beschreibt induktive Absolut-Schieblehren und elektronische Bandmaße, bei denen dieser induktive Geber benutzt wird.
Dieser induktive Positionsgeber weist zwei Teile auf, die relativ zueinander beweglich sind. Ein Lesekopf enthält einen aktiven Sender zur Erzeugung eines sich ändernden Magnetfelds und einen passiven Empfänger zum Empfangen und Messen des Magnetfelds und zum Erzeugen eines Empfangssignals. Eine Skala weist eine Vielzahl von Flußmodulatoren auf. Die Flußmodulatoren modulieren das Magnetfeld, so daß der induzierte Strom im Empfänger von der Position der Skala relativ zum Lesekopf abhängt.
Der Sender enthält eine Magnetfeldquelle, die einen sich ändernden Magnetfluß durch einen Flußbereich hindurch erzeugt. Der Empfänger enthält eine Empfangswicklung, die in einem vorbestimmten Muster von Flußempfangsflächen längs einer Meßachse und innerhalb des Flußbereichs angeordnet ist. Die Empfangswicklung erzeugt passiv ein Signal in Abhängigkeit von der gemes senen Magnetflußänderung. Die Amplitude und Polarität dieses Signals ist eine Funktion der Position des Lesekopfes relativ zur Skala. Die Empfangswicklung ist durch Überquerung eines leitenden Elements über sich selbst in vorbestimmten Intervallen ausgebildet, um eine sinusförmige Schwingung anzunähern, die sich am einen Ende umkehrt. Auf diese Weise hat die Empfangswicklung benachbarte Schleifen (Windungen) mit sich abwechselndem Wickelsinn. Das vom Sender erzeugte Magnetfeld, das durch diese Schleifen mit sich abwechselnder Richtung hindurchgeht, erzeugt eine EMK mit wechselnder Polarität.
Alternativ können die Sender- und Empfänger/Sensor-Funktionen mittels geeigneter Signalverarbeitung, wie der in den vorstehend erwähnten Patentanmeldungen, umgeschaltet werden. Das heißt, die Sendewicklung kann dadurch geformt werden, daß ein leitendes Element in vorbestimmten Abständen quer über sich selbst gelegt wird, um benachbarte Schleifen mit abwechselnd gegensinnigem Wickelsinn zu erhalten. Die von allen diesen Schleifen erzeugten Magnetfelder haben alternierende Polaritäten. Der Empfänger ist in diesem Fall eine einfache Schleife.
Die Skala weist eine Vielzahl von Flußmodulatoren auf, die gleichmäßig in einem vorbestimmten Abstand längs der Skala angeordnet sind. Wenn die Skala längs des Lesekopfes bewegt wird, bewegen sich die Flußmodulatoren innerhalb des Flußbereichs, um den magnetischen Fluß in der Nähe dieser Flußmodulatoren zu modulieren. Die Flußmodulatoren in dem Flußbereich ändern den induzierten Strom, so daß sich das von der Empfangswicklung erzeugte Signal in Abhängigkeit von der relativen Position von Lesekopf und Skala ändert.
Der induktive Geber, die Schieblehren, die linearen Skalen und die elektronischen Bandmaße, die in jenen Patentanmeldungen offenbart sind, lassen sich auf einfache Weise nach bekannten Verfahren gedruckter Schaltungen herstellen. Dieses Gebersystem ist generell gegen Verschmutzung durch Teilchen, einschließlich ferromagnetischer Teilchen, Öl, Wasser und anderer Fluide, immun.
1 stellt einen induktiven Positionsgeber 100 mit einem Lesekopf 110 und einer Skala 120 dar. Der Lesekopf 110 weist eine Sendewicklung 112 und wenigstens eine Empfangswicklung 114 auf. Die Empfangswicklung 114 bildet eine Vielzahl positiv gepolter Schleifen 116 und eine Vielzahl negativ gepolter Schleifen 118. Die positiv und negativ gepolten Schleifen 116 und 118 erstrekken sich längs einer Meßachse 130 des Lesekopfes 110 innerhalb der Sendewicklung in einer Folgefrequenz, die der Skalen-Wellenlänge λ entspricht.
Die Skala 120 weist eine Vielzahl von Flußmodulatoren 122 auf. Die Flußmodulatoren 122 können entweder Flußunterbrecher oder Flußverstärker sein. Die Anordnung der Flußmodulatoren 122 hat eine Teilung, die gleich der Wellenlänge λ ist. Jeder Flußmodulator 122 erstreckt sich über etwa eine halbe Wellenlänge λ oder weniger längs der Meßachse 130.
Die Flußunterbrecher sind aus einer dünnen Schicht aus leitendem Material gebildet. Das durch die Sendewicklung 112 erzeugte, sich ändernde Magnetfeld induziert Wirbelströme, deren Magnetfelder entgegengesetzt zu dem von der Sendewicklung 112 erzeugten Magnetfeld gerichtet sind. Dadurch wird der resultierende Magnetfeldfluß in den Bereichen neben den aus der dünnen leitenden Schicht bestehenden Flußunterbrechern verringert oder unterbrochen.
Die Flußverstärker sind aus Teilen eines hochmagnetischen permeablen Materials gebildet. Der durch die Sendewicklung 112 erzeugte Magnetfeldfluß geht vorzugsweise durch die Flußverstärker mit hoher magnetischer Permeabilität hindurch. In den Flußverstärkern ist die Magnetflußdichte mithin relativ größer, während der magnetische Fluß in den seitlich neben den Flußverstärkern liegenden Flächen eine relativ geringe Dichte hat.
In beiden Fällen modulieren die Flußmodulatoren den durch die Sendewicklung erzeugten magnetischen Fluß und die effektive Flußkopplung zwischen dem Sender und dem Empfänger räumlich. Es versteht sich, daß die Flußmodulatoren 122 eine alternative Anordnung aus Flußunterbrechern oder Flußverstärkern nahelegen können. Es sei auch darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Neigungskompensationsverfahren auch bei irgendeiner der Lesekopf- und Skalenauslegungen angewandt werden kann, die in den vorstehend zitierten Patentanmeldungen offenbart sind.
Wenn der Lesekopf 110 über und in der Nähe der Skala 120 annähernd parallel angeordnet ist, wird das durch die Sendewicklung 112 erzeugte Magnetfeld durch die Flußmodulatoren moduliert. Das modulierte Magnetfeld induziert in der Empfangswicklung 114 eine positionsabhängige resultierende EMK.
Nach 2 hat ein zweiter induktiver Positionsgeber 100' keine Sendewicklung, die die Empfangswicklung umgibt. Statt dessen hat der induktive Positionsgeber zwei Sendewicklungen 112A und 112B, die außerhalb der Empfangswicklung 114 symmetrisch angeordnet und in Reihe geschaltet sind, so daß das Gleichfeld aus den Sendewicklungen 112A und 112B zur Empfangswicklung 114 minimiert wird. Auf der Skala 120 sind die Flußmodulatoren durch Schleifen 150 ersetzt worden, die das Feld aus der Sendefläche zur Fläche unter den Empfängern übertragen.
Der Strom in der oberen Sendeschleife 112A fließt im Uhrzeigersinn und induziert in den darunterliegenden Skalenschleifen 152 einen Strom, der entgegen dem Uhrzeigersinn fließt. Der Strom in der unteren Sendeschleife 112B fließt entgegen dem Uhrzeigersinn, wobei er in den darunterliegenden Skalenschleifen 154 einen im Uhrzeigersinn fließenden Strom induziert. Die alternierenden Schleifen auf der Skala führen daher Ströme mit alternierender Richtung. Ein Beispiel dieses zweiten induktiven Gebers ist in der EP 0 872 712 A2 beschrieben.
Ähnlich wie bei dem Geber nach 1, können die Sende- und Empfangs/Sensor-Funktionen umgeschaltet werden. In diesem Fall kann der Sender die Wicklung 114 aufweisen, die Schleifen mit alternierender Polarität aufweist, während der Empfänger die Wicklung 112 aufweisen kann.
Wenn der Lesekopf 110' über der Skala 120 in der Meßrichtung bewegt wird, alterniert die in der Empfangswicklung 114 induzierte EMK als eine periodische Funktion der relativen Position zweier Teile mit einer Wellenlänge, die gleich dem Abstand zwischen Schleifen gleicher Polarität auf der Skala ist. Dieser zweite induktive Positionsgeber 100' wird mit der gleichen Signalart betrieben, und die Empfangssignale werden ebenso wie bei dem ersten, in 1 dargestellten induktiven Positionsgeber verarbeitet. Das erfindungsgemäße Neigungskompensationsprinzip ist daher bei den beiden induktiven Positionsgebern 100 und 100' gleichermaßen anwendbar.
Bei diesen Gebern und anderen ähnlichen Arten induktiver Geber treten jedoch unerwünschte Fehler auf, wenn der aktive Lesekopf nicht richtig zu der passiven Skala ausgerichtet ist. Nach 3 dreht sich der Lesekopf 110 bei einer Neigung aus einer Position, die parallel zur Skala 110 ist, um eine Neigungsachse 132. Die Neigungsachse 132 liegt in der Ebene des Lesekopfes 110 und steht etwa senkrecht zu einer Meßachse des Gebers. Daher liegt das eine Ende des Lesekopfes näher an der Skala als sein anderes Ende.
Die Geber nach den 1 und 2 sind zur Vereinfachung der Beschreibung jeweils nur mit einer einzigen Empfangswicklung 118 und 114 dargestellt. Praktische Ausführungen haben üblicherweise jedoch mehrere längs der Meßachse auseinanderliegend angeordnete Empfangswicklungen, z. B. quadratisch angeordnete Wicklungen, um die Bewegungsrichtung zu messen und aus anderen praktischen Gründen. Wenn der Lesekopf bei einem dieser induktiven Geber relativ zu den Skalenelementen geneigt ist, sind zwei der Hauptarten von Signalfehlern, die auftreten können: 1) eine resultierende Ungleichheit der induzierten Amplituden in den positiven und negativen Schleifen innerhalb einer Empfangswicklung und 2) eine resultierende Ungleichheit der Ausgangssignalamplituden zwischen den vielen Empfangswicklungen des Gebers. Die ungleichen Ausgangssignale der positiven und negativen Schleifen in einer einzigen Empfangswicklung erzeugen eine unerwünschte Positionsunempfindlichkeit aufgrund einer Gleichspannungs-Verschiebung im Empfangswicklungssignal und erzeugen zusätzlich ein unerwünschtes +/–Modulationsungleichgewicht innerhalb der Empfangswicklung. Die Ausgangssignaldifferenz bei mehreren Empfangswicklungen erscheint als eine unerwünschte Modulationsamplitudenvermischung zwischen diesen Empfangswicklungen und zusätzlich, wenn die einzelnen Wicklungen eine Gleichspannungs-Verschiebung aufweisen, als eine unerwünschte Gleichspannungs-Verschiebungs-Vermischung zwischen den Empfangswicklungen. Es sei darauf hingewiesen, daß das –/–Modulationsungleichgewicht und die Gleichspannungs-Verschiebungs-Vermischung im allgemeinen eine erheblich kleinere Amplitude als die Gleichspannungs-Verschiebung und die Modulationsamplitudenvermischung jeweils aufweisen.
Wenn ein leitfähiges Skalenträgermaterial benutzt wird, wie bei einer rostfreien Stahl-Schieblehre, wird die Stärke des übertragenen Feldes im Vergleich zu einem nichtleitenden Skalenträger gedämpft. Die Stärke des übertragenen Feldes wird gedämpft, weil das Feld in dem leitenden Skalenträger Wirbelströme induziert, die ihrerseits ein entgegengesetzt wirkendes Magnetfeld erzeugen, das die Feldstärke des übertragenen Magnetfeldes verringert. Dieser Effekt verringert die Stärke der Antwort in der Nähe jedes Teils der Lesekopf-Empfänger in einem Maß, das von dem Spalt zwischen dem Lesekopf und der Skala unabhängig ist. Dieser Effekt kann mithin die gewünschten Lesekopfsignalverhältnisse verzerren, wenn der Lesekopf relativ zu einem leitenden Träger geneigt ist.
Das Nebensprechen von der Sendewicklung zu einer Empfangswicklung ist definiert als das Signal am Empfangs wicklungsanschluß, das unabhängig von den Flußmodulatoren direkt von dem durch das Senderfeld in den Empfangswicklungen induzierten Strom verursacht wird. Bei dem in 1 dargestellten, ersten induktiven Geber ist jede Teilschleife der Empfangswicklungen einem ziemlich starken, direkt durch das Senderfeld induzierten Strom ausgesetzt. Jede Empfangswicklung hat jedoch Teilschleifen, die in abwechselnden Richtungen gewickelt sind, so daß die induzierten Ströme alternierende Polaritäten aufweisen. Die resultierenden Signale an den Anschlüssen der Empfangswicklungen aufgrund des Nebensprechens sind daher praktisch Null, weil die Anzahl und Größe positiver und negativer Schleifen in jeder Empfangswicklung gleich sind. Der Ausgleich der positiven und negativen Ströme, die direkt durch die Sendewicklung induziert werden, kann jedoch durch eine Zunahme des Nebensprechens aufgrund einer Neigung des Lesekopfes relativ zu einer leitenden Ebene gestört werden. 3 veranschaulicht, warum dies der Fall ist.
Nach 3 ist der Lesekopf 110 über einer leitenden Ebene 123 angeordnet, z. B. einem leitenden Stab, der die Skala 120 trägt. Längs der Meßachse sind drei Gruppen aus positiven und negativen Schleifenpaaren 1 bis 3 der Empfangswicklung angeordnet. Wegen des entgegenwirkenden, durch die Wirbelströme in der leitenden Basis erzeugten Magnetfeldes, ändert sich das resultierende Feld in der Ebene der Wicklung mit dem Abstand des Lesekopfes 110 von der Skala 120. Eine Fehlausrichtung in Form einer Neigung des Lesekopfes 110 induziert eine Zunahme im direkten Nebensprechen zwischen der Sendewicklung und der Empfangswicklung, weil im Mittel eine der positiven oder negativen Schleifen dichter bei der leitenden Basis als die andere der positiven und negativen Schleifen liegt. Nach 3 liegen die negativen Schleifen im Mittel dichter bei der leitenden Basis als die positiven Schleifen. Dadurch wird eine Ungleichheit erzeugt, weil durch die negativen Schleifen ein kleinerer resultierender Senderfluß hindurchgeht als durch die positiven Schleifen. Diese Ungleichheit ergibt eine Gleichspannungs-Verschiebung im Empfangssignal.
Wenn zwei Empfangswicklungen vorhanden und relativ zueinander längs der Meßachse versetzt sind, wie es in 4 dargestellt ist, tritt insofern ein weiteres Problem auf, als die Nebensprechverschiebung in den einzelnen Empfangswicklungen aufgrund ihrer unterschiedlichen mittleren Spaltweiten unterschiedlich ist. Das heißt, in den beiden Empfangswicklungen tritt eine unterschiedliche Gleichspannungs-Verschiebung auf. Auch die Modulationsamplitude in den beiden Empfangswicklungen ist wegen der unterschiedlichen mittleren Spaltweite unterschiedlich.
Bei dem in 2 dargestellten zweiten induktiven Positionsgeber ist das Problem der Nebensprechverschiebung geringer, weil der Sender den Empfänger nicht umgibt. Ferner wird das direkte Senderfeld, das durch die Empfangswicklungen hindurchgeht, praktisch durch das Zusammenwirken der beiden Senderwicklungen ausgeglichen. Wenn dieser Ausgleich jedoch nicht vollkommen oder durch eine Rotationsfehlausrichtung des Lesekopfes relativ zur Skala gestört ist, wird eine Nebensprechverschiebung bewirkt. Mit Rotation ist hier eine Drehung um eine zur Meßachse parallele Achse gemeint.
Wie in der EP 0 743 508 A und der GB 2 313 199 A beschrieben ist, sind normalerweise wenigstens zwei Empfangswicklungen erforderlich, um die Position und Bewegungsrichtung eindeutig zu bestimmen. Wenn mehrere Emp fangswicklungen bei dem ersten und dem zweiten Geber vorhanden sind, wird die Position aus dem Verhältnis der Ausgangssignale dieser Wicklungen berechnet.
Wenn die Empfangswicklungen identisch, aber relativ zueinander in der Meßrichtung versetzt sind, bewirkt eine Fehlneigung des Lesekopfes relativ zur Skala des Gebers ein Modulationsamplituden-Fehlverhältnis der Ausgangssignale beider Empfangswicklungen. 4 stellt die relative Position der beiden Empfangswicklungen 114A und 1148 in dem ersten und dem zweiten induktiven Geber dar. Die beiden Empfangswicklungen 114A und 1148 liegen in der gleichen Ebene und sind um eine viertel Wellenlänge relativ zueinander versetzt, so daß sie um 90° phasenverschobene Ausgangssignale erzeugen. Nach 4 bewirkt eine Fehlausrichtung, daß die erste Empfangswicklung 114A näher an der Skala 120 liegt als die zweite Empfangswicklung 114B. Infolgedessen wird ein Modulationsamplituden-Fehlverhältnis (Signalamplituden-Fehlverhältnis) bewirkt, weil das Ausgangssignal der ersten Empfangswicklung 114A größer als das der zweiten Empfangswicklung 114B ist. Dieses Amplituden-Fehlverhältnis bewirkt einen Meßfehler. Dieses Problem tritt gleichermaßen bei Mehrfachwicklungsversionen des ersten und zweiten induktiven Positionsgebers nach den 1 und 2 auf.
3 veranschaulicht auch, wie eine Fehlneigung eine Plus-Minus-Modulationsungleichheit in einer Empfangswicklung des ersten induktiven Gebers 100 und des zweiten induktiven Gebers 100' erzeugt. Mit anderen Worten, innerhalb einer einzigen Wicklung ist die Signalmodulation einer Schleifenpolarität durch die Skala größer als die Signalmodulation der anderen Schleifenpolarität durch die Skala. Bei beiden Gebern 100 und 100' sind die Leseköpfe 110 und 110' sowie die Skalen 120 und 120' jeweils vorzugsweise genau parallel zueinander positioniert. Aufgrund von Herstellungsfehlern und/oder -toleranzen und da sich verschiedene Bauteile der beiden Geber 100 und 100' abnutzen, können die Leseköpfe 110 und 110' sowie die Skalen 120 und 120' relativ zueinander fehlausgerichtet werden, wie es in 3 dargestellt ist. Insbesondere die Leseköpfe 110 und 110' sowie die Skala 120 können um einen Winkel 8 um eine Neigungsachse 132 aus einer genau parallelen Lage, die durch eine Ebene 134 dargestellt ist, geneigt sein.
Nach 3 liegt die Schleife mit der negativen Polarität "3–" infolge der Neigung am nächsten an der Skala 120, während die Schleife mit der positiven Polarität "1+" am weitesten von der Skala 120 entfernt liegt. Da in den Empfängerschleifen, die weiter von der Skala 120 entfernt liegen als die näher bei ihr liegenden, werden in den Schleifen unterschiedliche EMKs induziert, wobei die Größe der in der Schleife mit der positiven Polarität "1+" erzeugten EMK von der Größe der in der Schleife mit negativer Polarität "1–" erzeugten EMK abweicht. In ähnlicher Weise weicht die Größe der in der Schleife mit negativer Polarität "2–" erzeugten EMK von der Größe der in der Schleife mit der positiven Polarität "2+" erzeugten EMK ab. Dies gilt für jedes Paar benachbarter Schleifen, die sich quer über die Leseköpfe 110 und 110' entlang der Meßachse 130 erstrecken.
Wenn 3 den ersten induktiven Geber 100 darstellt, handelt es sich bei den Skalenelementen um Flußmodulatoren 122, und die Modulation der in jeder Schleife induzierten EMK nimmt mit kleiner werdendem Abstand von der Skala 120 zu. Mithin ist die Modulation der in der "1+"-Schleife erzeugten EMK kleiner als die Modulation der in der "1–"-Schleife erzeugten EMK, usw. Der resultierende Effekt ist eine Zunahme der resultierenden Modulationssignalamplitude bei derjenigen Schleifenpolarität, die im Mittel infolge der Neigung näher bei der Skala liegt, so daß sich eine "+/–"-Modulationsungleichheit aufgrund der Neigung ergibt.
Wenn 3 den zweiten induktiven Geber 100' darstellt, stellen die Skalenelemente die Kopplungsschleifen 150 dar. In diesem Fall ist die induktive Kopplung, die durch die Kopplungsschleifen 150 zwischen der Sendewicklung und einer bestimmten Schleife der Empfangswicklung bewirkt wird, schwächer als es der Zunahme des Abstands von dem Skalenelement 120 bis zu irgendeinem Teil des Lesekopfes 110' entspricht. Der resultierende Effekt ist wiederum eine Zunahme der Modulation bei derjenigen Schleifenpolarität, die im Mittel aufgrund der Neigung näher bei der Skala liegt, wodurch eine "+/–"-Modulationsungleichheit aufgrund der Neigung bewirkt wird. Die Lesekopfwicklung 114 des induktiven Gebers 100', der in 2 dargestellt ist, ist mithin generell neigungsempfindlich. Es sei darauf hingewiesen, daß bei der in 2 dargestellten zweipoligen Skala 120 diese Neigungsempfindlichkeit vermieden ist, weil in dem Skalenfeld theoretisch die Gleichkomponenten eliminiert sind, die mit der Neigungsempfindlichkeit der Lesekopfwicklung 114 interagieren könnten. Generell können jedoch andere Skalen benutzt werden, bei denen eine erhebliche Gleichkomponente im Skalenfeld vorhanden ist, die eine Gleichspannungskomponente im Ausgangssignal der Wicklung 114 erzeugt, wenn der Lesekopf eine Fehlneigung relativ zur Skala aufweist. Dadurch wird ein Fehler in dem Geberausgangssignal bewirkt, wenn die Verarbeitungselektronik keine Ungleichheit im wicklungsausgangssignal vermutet.
Es wird daher ein induktiver Positionsgeber benötigt, der genau, kostengünstig herzustellen und gegen Verschmutzung unempfindlich ist und weitgehend gleiche Signalkomponenten erzeugen kann, die nicht durch eine Fehlausrichtung beeinträchtigt werden.
Die WO 97/19323 beschreibt einen Sensor für ein Gerät zum Anzeigen der Position eines beweglichen Elements relativ zu einem feststehenden Element, wobei er zwei Mehrwindungs-Sensorwicklungen aufweist, die jeweils ein sich wiederholendes Muster in Reihe geschalteter Leiterschleifen mit entgegengesetztem Wicklungssinn aufweisen. Die eine Sensorwicklung ist räumlich um 90° gegenüber der anderen Sensorwicklung phasenverschoben, und die Anordnung der Wicklungen ist so gewählt, daß die Mittelpunkte der Sensorwicklungen zusammenfallen. Der Sensorkopf ist besonders zum Anzeigen der Position eines beweglichen Elements relativ zu einem feststehenden Element geeignet, da er relativ unempfindlich gegen eine Längsneigung relativ zu dem anderen Element ist.
Die Erfindung besteht in einem neigungskompensierten induktiven Positionsgeber, der aufweist:
ein erstes Glied mit wenigstens einem Skalenelement, das längs einer Meßachse angeordnet ist;
ein zweites Glied, das in der Nähe des ersten Gliedes und relativ zu diesem verschiebbar angeordnet ist;
wenigstens einen Magnetfeldgenerator, der auf dem zweiten Glied angeordnet ist und einen sich ändernden Magnetfluß erzeugt; und
wenigstens einen Magnetflußsensor, der auf dem zweiten Glied angeordnet ist; wobei:
a) der eine Magnetfeldgenerator bzw. einer der Magnetfeldgeneratoren und b) jeder Magnetflußsensor we nigstens einen räumlich modulierten Abschnitt mit einer definierten räumlichen Phase aufweist,
das wenigstens eine Skalenelement die effektive Flußkopplung zwischen dem wenigstens einen Magnetflußsensor und dem wenigstens einen Magnetfeldgenerator räumlich moduliert und jeder Magnetflußsensor ein Ausgangssignal erzeugt, das die relative Position zwischen dem Magnetflußsensor und dem wenigstens einen Flußskalenelement anzeigt, und
jeder räumlich modulierte Abschnitt wenigstens einen Neigungsausgleichabschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß:
jeder räumlich modulierte Abschnitt eine Flächenschwerpunktsachse hat, die in einer senkrecht zur Meßachse stehenden Ebene liegt und so angeordnet ist, daß, wenn jeder inkrementelle Teil von effektiven Flußkopplungsflächen des räumlich modulierten Abschnitts mit einem vorzeichenbehafteten Abstand von jenem inkrernentellen Teil bis zu der Flächenschwerpunktsachse multipliziert wird, die Summe dieser Produkte gleich Null ist; und
wenigstens einer von a) wenigstens einem räumlich modulierten Abschnitt geometrisch asymmetrisch um den Flächenschwerpunkt des wenigstens einen räumlich modulierten Abschnitts herum angeordnet ist und b) wenigstens ein räumlich modulierter Abschnitt eine Vielzahl von Wicklungsgruppen aufweist, die die effektiven Flußkopplungsflächen einschließt, und die Vielzahl von Wicklungsgruppen durch wenigstens einen freien Raum verbunden sind, der die Wicklungsgruppen trennt, die keine Flußkopplungsfläche aufweisen.
Durch die Erfindung ergibt sich ein sehr genauer induktiver Positionsgeber, bei dem neigungsbedingte Fehler kostengünstig und effektiv beseitigt sind, der aber dennoch für zahlreiche Anwendungen geeignet, gegen Verschmutzungen, wie Öl und ferromagnetische Teilchen, unempfindlich und relativ kostengünstig herstellbar ist.
Jeder räumlich modulierte Abschnitt hat eine definierte Flächenschwerpunktsachse, die in einer senkrecht zur Meßachse stehenden Ebene liegt, wobei ihr Ort längs der Meßachse wie folgt definiert ist: Der Ort der Flächenschwerpunktsachse ist so gewählt, daß, wenn jeder inkrementelle Teil aller effektiven Flußkopplungsflächen mit dem vorzeichenbehafteten Abstand von jenem inkrementellen Teil bis zu der Flächenschwerpunktsachse multipliziert wird, die Summe dieser Produkte gleich Null ist. Die Flächenschwerpunktsachsen mehrerer Wicklungen können so ausgerichtet sein, daß bestimmte Meßfehler infolge einer Fehlausrichtung vermieden werden.
Aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen ergeben sich verschiedene Merkmale und Vorteile der Erfindung für den Fachmann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Darin stellen dar:
1 eine Draufsicht auf ein erstes bekanntes Geber-Layout;
2 eine Draufsicht auf ein zweites bekanntes Geber-Layout;
3 eine Seitenansicht eines Lesekopfes, einer Skala und eines leitenden Skalenträgers, wobei der Lesekopf relativ zur Skala und zum Träger geneigt ist;
4 eine Seitenansicht eines Lesekopfes und einer Skala, wobei der Lesekopf zwei einander ähnelnde, gegeneinander in Längsrichtung der Meßachse versetzte Wicklungen aufweist, die relativ zur Skala geneigt sind;
5 eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäß neigungskompensierten Wicklung;
6 eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäß neigungskompensierten Wicklung;
7 eine Draufsicht einer dritten illustrativen Ausführungsform einer neigungskompensierten Wicklung;
8 eine Draufsicht einer vierten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäß neigungskompensierten Wicklung;
9 eine Seitenansicht einer Gruppe von erfindungsgemäß neigungskompensierter Wicklungen;
10 eine Seitenansicht einer zweiten Gruppe erfindungsgemäß neigungskompensierter Wicklungen;
11 eine Seitenansicht einer dritten Gruppe erfindungsgemäß neigungskompensierter Wicklungen;
12 eine Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäß neigungskompensierten Wicklung;
13 eine Seitenansicht eines Paares erfindungsgemäß neigungskompensierter Wicklungen, die eine unterschiedliche räumliche Phasenlage bei jeder Wicklung aufweisen, während ihre Flächenschwerpunktsachsen zueinander ausgerichtet sind, um sowohl eine Versetzung als auch eine Amplitudenfehlausgleich-Empfindlichkeit gegenüber einer Neigung zu beseitigen;
14A–C Seitenansichten mehrerer Wicklungskonfigurationen, die verschiedene Flächenschwerpunktsverschiebungen ohne Änderung der räumlichen Phasenlage der Konfigurationen veranschaulichen;
15 eine Draufsicht einer fünften bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß neigungskompensierten Wicklung;
16 die erste Wicklung nach 15, die einer graphischen Darstellung der Spaltweite in Abhängigkeit von der Position überlagert ist;
17 die mittlere Spaltweite der ersten Wicklung nach 15;
18 die zweite Wicklung der 15, einer graphischen Darstellung der Abhängigkeit der Spaltweite von der Position überlagert;
19 den mittleren Abstand der ersten und der zweiten Teilwicklung der zweiten Wicklung nach 15;
20 eine Draufsicht einfacher Wicklungen mit drei verschiedenen räumlichen Phasenlagen und
21 eine Draufsicht der Wicklungen nach
20, so modifiziert, daß ihre Flächenschwerpunktsachsen geradlinig ausgerichtet sind und neigungsbedingte Signalamplitudenunterschiede zwischen den drei Phasenlagen verringern.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
5 stellt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen neigungskompensierten Lesekopfes 200 dar. Der Einfachheit halber ist nur eine einzige Empfangswicklung dargestellt. Dieser Lesekopf 200 ist anstelle des Lesekopfes 110 in dem Geber 100 anwendbar. Der Lesekopf 200 hat eine Sendewicklung 210 und wenigstens eine Empfangswicklung 220. Die Empfangswicklung 220 hat fünf Schleifen 222 bis 230 oder, allgemeiner gesagt, eine ungerade Anzahl von Schleifen mit Polaritäten, die symmetrisch um eine Symmetrieachse 200 herum angeordnet sind. Drei dieser Schleifen 222, 226 und 230 sind Schleifen mit positiver Polarität, während die übrigen beiden Schleifen 224 und 228 Schleifen mit negativer Polarität sind.
Eine Neigung des Lesekopfes 200 gegenüber der Skala 120 kann zur Folge haben, daß das linke Ende 232 der Empfangswicklung 220 näher bei der Skala 120 liegt als das rechte Ende 234 der Empfangswicklung. In diesem Fall wird die erste Schleife 222 näher zu einem Flußmodulator 122 hin bewegt. Infolgedessen moduliert der Flußmodulator 122 das Magnetfeld, das die erste Schleife 222 durchsetzt, in stärkerem Maße. Der Beitrag, den die positive EMK der ersten Schleife 222 leistet, ist daher stärker moduliert als ohne Neigung. In ähnlicher Weise ist die positive Schleife 224 näher zur Skala 120 hin geneigt. Die in der Schleife 224 erzeugte negative EMK wird daher in stärkerem Maße moduliert als ohne Neigung. Dagegen sind die positive Schleife 230 und die negative Schleife 228 weiter von der Skala 120 entfernt als ohne Neigung. Die in der Schleife 228 erzeugte negative EMK und die in der Schleife 230 erzeugte positive EMK sind daher in geringerem Maße moduliert als ohne die Neigung. Da Teile der positiven Schleife 226 sowohl näher als auch weiter weg von der Skala 120 liegen, ist die darin erzeugte EMK weitgehend unabhängig von der Neigung. Die größere EMK-Modulation in der positiven Schleife 222 wird mithin um eine im gleichen Maße kleinere Modulation in der positiven Schleife 230 ausgeglichen (kompensiert). In ähnlicher Weise wird die größere EMK-Modulation in der negativen Schleife 224 durch eine im gleichen Maße kleinere Modulation in der negativen Schleife 228 kompensiert. Die resultierende Amplitude und Versetzung des Ausgangssignals der symmetrischen Schleifenanordnung nach 5 ist daher bei verschiedenen Neigungs-Fehlausrichtungen annähernd unverändert. Generell werden diese Neigungskompensationsbeiträge ge leistet, wenn die Flächenschwerpunktsachsen der positiven Schleifen und der negativen Schleifen der Empfangswicklung 220 geradlinig zueinander ausgerichtet sind. Die positiven und die negativen Schleifen der Empfangswicklung 220 haben jeweils eine definierte Flächenschwerpunktsachse, die in einer zur Meßachse senkrechten Ebene liegt. Der Ort der Flächenschwerpunktsachse längs der Meßachse ist so gewählt, daß, wenn jeder inkrementelle Teil einer Flußkopplungsfläche mit gleicher Polarität mit dem vorzeichenbehafteten Abstand von jedem inkrementellen Teil der Flächenschwerpunktsachse multipliziert wird, die Summe aller dieser Produkte gleich Null ist.
Es versteht sich durchweg in dieser Anmeldung, daß, wenn sich mehrere Flußempfangsschleifen (oder Flußerzeugungsschleifen) überlappen, die Überlappungsfläche bei jeder Schleife unabhängig berücksichtigt werden muß, wenn die Flächenschwerpunktsachsen und die effektive Flußfläche, um die es hier geht, betrachtet werden müssen. Dies ist ein herkömmliches Verfahren zur Berücksichtigung der Magnetflußkopplung mit Wicklungen.
Die erste Ausführungsform der neigungskompensierten Empfangswicklung nach 5 hat einen Nachteil: Die Anzahl der Schleifen mit der einen Polarität ist größer als die Anzahl der Schleifen mit der anderen Polarität. Das heißt, die Empfangswicklung 200 hat eine positive Gleichvorspannung im Ausgangssignal, weil es drei positive, aber nur zwei negative Schleifen gibt. Mithin entstehen bei dieser Auslegung trotz der Kompensation bestimmter neigungsbedingter Fehler andere unerwünschte Fehler und Empfindlichkeiten. Die durch das Polaritätsungleichgewicht bewirkte Gleichvorspannung wird im allgemeinen durch Erhöhung der Anzahl der Schleifen ver ringert. Dadurch wird jedoch die Vorspannung nicht völlig beseitigt.
6 stellt eine zweite Ausführungsform eines neigungskompensierten Lesekopfes 300 dar. Bei diesem Lesekopf 300 ist die erwähnte Vorspannung durch Änderung der positiven und negativen Schleifen beseitigt, und zwar dadurch, daß die positiven Schleifen 322, 326 und 330 einerseits und die negativen Schleifen 324 und 328 andererseits eine gleich große Gesamtfläche umschreiben bzw. abdecken. Das heißt, die von den positiven Schleifen umschriebene Gesamtfläche ist gleich der von den negativen Schleifen umschriebenen Gesamtfläche. Der EMK-Beitrag einer Schleife ist proportional zur Fläche, die die Schleife in einer zu einem sich ändernden Magnetfluß senkrechten Ebene einschließt. Durch Angleichung der Gesamtfläche, die von allen positiven Schleifen umgeben ist, und der von den negativen Schleifen umgebenen Gesamtfläche sowie symmetrische Anordnung der positiven Schleifen um eine Flächenschwerpunktsachse 340 wird die erwähnte Signalvorspannung sowie die Neigungsempfindlichkeit des Ausgangssignals weitgehend eliminiert.
Die Empfangswicklung 320 nach 6 hat jedoch ebenfalls einen Nachteil. Die negativen Schleifen 324 und 328 der Empfangswicklung 320 haben näher bei der Sendewicklung 310 liegende Teile als die positiven Schleifen 322, 326 und 330. Das von der Sendewicklung 310 erzeugte Magnetfeld fällt rasch ab, wenn der Abstand von der Sendewicklung 310 zunimmt. Die Ausgangs-EMK einer Schleife ist direkt proportional zu dem Magnetfluß, der von der Schleife umgeben ist. Daher beeinflußt sowohl die Größe einer Schleife als auch ihre Nähe zur Sendewicklung 310 die von der Schleife erzeugte EMK. Die po sitiven Schleifen 322, 326 und 330 sowie die negativen Schleifen 324 und 328 umschreiben die gleiche Gesamtfläche. Da die positiven Schleifen 322, 326 und 330 nicht den gleichen Betrag des magnetisches Flusses umschreiben, wie die negativen Schleifen 324 und 328, ist weiterhin eine resultierende vorspannung in der Empfangswicklung 320 vorhanden.
Außerdem hat der Lesekopf 300 unterschiedlich große Empfangsschleifen, die Ausgangssignal-Harmonische erzeugen können, die Meßfehler verursachen.
7 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform eines neigungskompensierten Lesekopfes. Bei dem Lesekopf 400 nach 7 hat die Empfangswicklung 420 die gleiche Anzahl positiver Schleifen 422 und 428 und negativer Schleifen 424 und 426. Dies ergibt ein Signal ohne Vorspannung. Die symmetrische Anordnung der positiven und negativen Schleifen stellt sicher, daß alle durch eine Neigung verursachten Meßfehler minimiert oder eliminiert werden. Wenn jedoch die Flußmodulatoren 122 auf der Skala 120 so angeordnet sind, wie es in 1 dargestellt ist, ist die Empfangswicklung 400 von geringem Nutzen. In 1 sind die Flußmodulatoren 122 längs der Skala 120 in Abständen von einer Wellenlänge λ angeordnet. Wenn eine Skala 120 mit dieser Flußmodulatoranordnung über der Empfangswicklung 400 angeordnet wäre, dann wäre das Ausgangssignal der Empfangswicklung 400 positionsunempfindlich. Das heißt, die Ausgangs-EMK würde sich unabhängig von der relativen Lage von Lesekopf und Skala nicht ändern. Die Skala 120 müßte daher geändert werden, so daß die Skalenelemente und die Wellenlänge dieser Skalenelemente doppelt so lang sind, wie es in 1 dargestellt ist, und selbst dann hätte der Geber einen begrenzten Wegbereich. Dieser Fall ist mithin illustrativ für noch ein weiteres Neigungskompensations-Wicklungsverfahren, jedoch von geringem Nutzen.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Lesekopf 500 ist in 8 dargestellt. Der Lesekopf 500 löst die Probleme der vorherigen Ausführungsformen durch Schaffung einer bevorzugten Empfangswicklung 520 mit gleicher Anzahl von Schleifen bei jeder Polarität. Bei der Empfangswicklung 520 sind jedoch die Schleifen mit gleicher Polarität, die am nächsten bei der Symmetrieachse 540 angeordnet sind, in einem Abstand von einer halben Wellenlänge (d. h. λ/2) voneinander angeordnet. Dies ist äquivalent zu dem Ersatz der mittleren Schleife 226 in 1 durch zwei gerade Drähte 526, so daß die negativen Schleifen 524 und 526 direkt miteinander verbunden sind. Darüber hinaus sollten die Drähte 526 so nahe wie möglich beieinander liegen, so daß sie eine minimale Fläche einschließen. Die Drähte 526 sind mithin vorzugsweise geradlinig zueinander auf sich gegenüberliegenden Seiten der gedruckten Schaltungsplatte angeordnet, die den Lesekopf 500 bildet. Dies stellt sicher, daß die von den Drähten 526 eingeschlossene Fläche gleich Null ist.
Auf diese Weise kann bei der Skala die in 1 dargestellte Flußmodulatoranordnung angewandt werden, so daß die Empfangswicklung 520 das gewünschte periodische Ausgangssignal aufweist, wenn sich die Skala bewegt, während gleichzeitig die erwähnten Quellen der Gleichvorspannung beseitigt und alle Neigungseinflüsse auf das Ausgangssignal der individuellen Wicklung ausgeglichen werden.
9 stellt einige Variationen der bevorzugten ausgeglichenen Wicklungen dar. Jedes positive und negative Vorzeichen stellt eine "Einheit" einer effektiven Flußkopplungsfläche dar, wobei das Vorzeichen dadurch bestimmt wird, ob die Einheit in einer Zone mit positiver oder negativer Polarität liegt.
"Positive" bzw. "negative" Zonen bedeuten hier virtuelle Konstruktionen, die zur Analyse und Beschreibung einer neigungskompensierten Geber-Auslegung brauchbar sind. Die positiven Zonen eines räumlich modulierten Flußempfängers (oder Flußerzeugers) sollen hier Wicklungen oder Flußsensoren enthalten, die alle einen Beitrag mit positiver Polarität zum Ausgangssignal liefern. Die negativen Zonen eines räumlich modulierten Flußempfängers (oder Flußerzeugers) sollen hier Wicklungen oder Flußsensoren aufweisen, die alle einen negativen Beitrag zum Ausgangssignal liefern. Es sei darauf hingewiesen, daß man diese Annahmen natürlich willkürlich verletzen könnte und Wicklungen oder Sensoren mit entgegengesetzter Polarität in einigen polaren Zonen einsetzen könnte. Diese Wicklungen oder Sensoren werden nachstehend als "gegensinnig" bezeichnet. In diesem Fall gelten die hier beschriebenen Prinzipien und Ansprüche weiterhin, doch wäre zu berücksichtigen, daß derartige "gegensinnige" Wicklungen oder Sensoren eine "negative wirksame Fläche" aufweisen. Das heißt, bei der Berechnung von Flächenschwerpunkten, einer effektiven Flußfläche und einer gesamten effektiven Flußfläche sollten gegensinnige Flächen als ein negatives Vorzeichen tragend berücksichtigt werden. Wenn beispielsweise eine Polaritätszone eine Wicklungsschleife mit dem erwarteten Polaritätsbeitrag aufweist, der eine Fläche umschließt, sowie eine gegensinnige Wicklungsschleife, die eine äquivalente Fläche umschließt, dann ist die resultierende effektive Flußfläche in dieser Zone gleich Null (wie wenn keine Schleifen vorhanden wären). Bei den erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsformen wird unterstellt, daß Polaritätszonen längs der Meßachse abwechselnd positiv und negativ sind und eine Länge und Teilung aufweisen, die der der Skalenelemente äquivalent sind.
Die erste Zeile der 9 stellt eine kompakte Form einer ausgeglichenen Wicklung 700 dar, wobei die Schleife in der mittleren Polaritätszone 704 so ausgebildet ist, daß sie das doppelte Gewicht im Vergleich zu den übrigen Schleifen durch Einkreisung des doppelten Flusses im Vergleich zu dem Rest der Schleifen aufweist. Mit anderen Worten, die Flußkopplungs-Einheitsfläche der Wicklung 700 ist in der negativen Polaritätszone 704 verdoppelt. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß die Schleife in der mittleren Polaritätszone 704 die doppelte Anzahl von Windungen im Vergleich zu den übrigen Schleifen aufweist. Dies kann auch dadurch erreicht werden, daß die Schleife in der mittleren Polaritätszone 704 so ausgebildet wird, daß sie eine größere Fläche als die übrigen Schleifen einschließt, doch sind die Nachteile dieses Verfahrens bereits erwähnt worden. Es lassen sich auch andere ausgeglichene Wicklungen dadurch erzielen, daß ein Zwischenraum entsprechend einer ungeraden Anzahl von Halbwellenlängen (oder einer ungeradzahligen Anzahl von Schleifen) in der Mitte der Wicklung eingefügt wird, wie es in der zweiten und der dritten Reihe der 9 dargestellt ist. Die Wicklungen 700, 708 und 712 haben alle die gleiche räumliche Phasenlage und miteinander geradlinig fluchtende Flächenschwerpunktsachsen in
9. Die Wicklungen 702, 710 und 714 haben alle jeweils eine räumliche Phasenverschiebung von 180° gegen über den Wicklungen 700, 708 und 712, wenn die Flächenschwerpunkte der Wicklungen 702, 710 und 714 an der gleichen Stelle wie die Flächenschwerpunkte der Wicklungen 700, 708 und 712 zentriert werden. Die Flächenschwerpunktsachsen der Wicklungen 702, 710 und 714 sind in 9 geradlinig ausgerichtet.
Wie 10 zeigt, können Wicklungen durch Wiederholung von Schleifenpaaren an den Enden der Wicklungen 708 und 710 verlängert werden, z. B. wie die wiederholten Paare 720 und 722. 10 stellt zwei Beispiele 716 und 718 dar, bei denen ein Schleifenpaar an jedem Ende der Wicklungen 708 und 710 in der zweiten Reihe der 9 ergänzt wurde. Es können noch weitere Schleifenpaare an den Enden, soweit nötig, ergänzt werden, ohne den Ausgleich oder das Gleichgewicht der Wicklungen zu stören.
11 stellt Beispiele dar, wie neue Arten ausgeglichener Wicklungen dadurch erreicht werden können, daß irgendwelche der ausgeglichenen Wicklungen nach den 9 und 10 in Reihe, mit ihren Enden aneinander, verbunden werden. Nach 11 wird die Wicklung jeder Reihe dadurch gebildet, daß die Wicklungen der entsprechenden Reihe in 9 miteinander verbunden werden. In gleicher Weise stellt 12 die Wicklungen der 10 in einer Verbindung dar, in der sie eine weitere Art einer ausgeglichenen Wicklung bilden. Es sei darauf hingewiesen, daß das Muster der positiven und negativen Polaritätszonen 707 an dem Punkt, wo die Wicklungen verbunden sind, kontinuierlich ist.
Generell kann eine gegen eine Versetzung ausgeglichene Wicklung durch Verbindung kürzerer, versetzungsausgeglichener Wicklungen hergestellt werden.
Um den neigungsbedingten Signalamplituden-Ausgleichfehler zu eliminieren, müssen die Wicklungen so angeordnet sein, daß sie physisch geradlinig miteinander ausgerichtete Flächenschwerpunktsachsen aufweisen, aber ihre räumliche Phasendifferenz elektrisch beibehalten. Dies wird erreicht, wenn eine Wicklung der in 10 dargestellten Art mit einer Wicklung der in 11 dargestellten Art kombiniert wird. 13 stellt ein Beispiel für den Fall dar, daß die erste Wicklung nach 10 mit der zweiten Wicklung nach 11 kombiniert ist. Die Wicklungen haben bei 724 geradlinig zueinander ausgerichtete Flächenschwerpunkte unter Beibehaltung einer um eine viertel Wellenlänge räumlichen Phasenverschiebung gegeneinander. Beachte, daß die Polaritätszonen (durch dicke Markierungen längs der Wicklungen umrandet) um eine viertel Wellenlänge zwischen den Wicklungen verschoben sind. Diese Wicklungen bilden daher eine bevorzugte Gruppe um 90° phasenverschobener Wicklungen, die gegenüber einigen möglichen Arten neigungsbedingter Signalfehler unempfindlich sind.
Ein Geber dieser Art, der in 13 dargestellt ist, ist so ausgeglichen, daß sowohl Versetzungs- als auch Amplitudenfehlanpassungsfehler beseitigt werden, wenn eine Fehlausrichtung aufgrund einer Neigung zwischen den Wicklungen und der Ebene der Skalenelemente und irgendeiner leitenden Ebene unter der Skala vorhanden ist. Wenn nur der Neigungsausgleich der Amplituden von Mehrfachwicklungen mit verschiedenen räumlichen Phasenlagen von Interesse ist, wie z. B. in einem Fall, in dem ein Geber von der in 2 dargestellten Art benutzt wird, dann können Wicklungen gemäß den 14A–14C benutzt werden. Die Neigung einiger dieser Wicklungen ist nicht zur Vermeidung von Fehlern in den einzelnen Wicklungen ausgeglichen. Die 14A–14C stellen ei nige Beispiele dafür dar, wie die Flächenschwerpunktsachse einer Wicklung verschoben werden kann, ohne die räumliche Phase der Wicklung zu ändern. Die Flächenschwerpunktsachse ist diejenige Drehachse, bei der die Neigung um diese Achse die Gesamtsignalamplitude der Wicklung nicht wesentlich ändert. Es sei darauf hingewiesen, daß die Polaritätszonen aller Wicklungen auf einer geraden Linie liegen, was bedeutet, daß alle Wicklungen nach den 14A–14C die gleiche Phasenlage haben.
Schleifen ohne ein Plus- oder Minuszeichen sind freie Räume zwischen den Wicklungsgruppen. Mit anderen Worten, diese Zonen können durch elektrische Verbindungen überbrückt werden, um benachbarte Schleifen zu verbinden, doch gibt es in dieser speziellen Polaritätszone keine Flußverkettungsbereiche. Bei Schleifen mit gleichförmiger Fläche ergibt sich der Flächenschwerpunkt einer Wicklung dadurch, daß jedem Schleifenpaar der Wicklung (jedes Paar enthält eine Plusschleife und eine Minusschleife) das gleiche Einheitsgewicht zugeordnet wird und dann der Gleichgewichtspunkt wie für eine Ansammlung von Massen berechnet wird. Aus 14 kann die folgende Regel abgeleitet werden: Der Flächenschwerpunkt kann in Schritten von 1/N einer Wellenlänge λ verschoben werden, wobei N die Anzahl der Schleifen der Wicklung ist (N ist gleich dem Zweifachen der Anzahl der Wellenlängen, die in der Wicklung enthalten sind).
Eine fünfte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen neigungskompensierten Lesekopfes 600 ist in 15 dargestellt. Der Lesekopf 600 hat eine Sendewicklung 610 und eine erste Empfangswicklung 620 sowie eine zweite Empfangswicklung 630. Die erste Emp fangswicklung 620 und die zweite Empfangswicklung 630 sind im allgemeinen innerhalb der Sendewicklung 610 angeordnet.
Die erste Empfangswicklung 620 hat Schleifen 622 mit positiver Polarität und Schleifen 624 mit negativer Polarität in symmetrischer Anordnung um eine erste Symmetrieachse 640, die gleichzeitig die Flächenschwerpunktsachse der Wicklung bildet. Die Polaritätszonen 690 erstrecken sich längs der Wicklung, doch sind nicht alle dargestellt. Die erste Empfangswicklung 620 hat ferner einen Teil 626, der sich außerhalb der Sendewicklung 610 erstreckt.
Die zweite Empfangswicklung 630 hat zwei Teilwicklungen 631 und 635. Die Polaritätszonen 691 erstrecken sich längs der Wicklung, doch sind nicht alle dargestellt. Die erste Teilwicklung 631 hat positive Polaritätsschleifen 632 und negative Polaritätsschleifen 634, die symmetrisch um eine zweite Symmetrieachse 642 herum angeordnet sind. Die erste Teilwicklung 631 hat ferner einen Teil 633, der sich außerhalb der Sendewicklung 610 erstreckt. Die zweite Teilwicklung 635 hat positive Polaritätsschleifen 636 und negative Polaritätsschleifen 638, die symmetrisch um eine dritte Symmetrieachse 644 herum angeordnet sind. Die zweite Teilwicklung 635 hat ebenfalls einen Teil 637, der sich außerhalb der Sendewicklung 610 erstreckt.
Die Sendewicklung 610 erzeugt einen sich ändernden magnetischen Fluß. Alle Teile 626, 633 und 637 der beiden Empfangswicklungen 620 und 630 haben Drähte, die übereinander liegen, um die Bildung einer Schleife zu vermeiden. Da die Abschnitte 626, 633 und 637 keine Schleifen bilden, wird in diesen Teilen kein Signal durch die Änderung des magnetischen Flusses erzeugt.
Der Lesekopf 600 ist auf einer gedruckten Schaltungsplatte 650 angebracht. Die gedruckte Schaltungsplatte 650 ist mit mehreren Durchführungen 652 versehen, um Teile der Empfangswicklungen 620 und 630 zwischen die sich gegenüberliegenden Oberflächen der gedruckten Schaltungsplatten 650 zu schalten. Diese Anordnung ergibt eine isolierte Überkreuzung sich überlappender Schleifen 622, 624, 632, 634, 636 und 638 der beiden Empfangswicklungen 620 und 630.
16 stellt eine Seitenansicht der ersten Wicklung 620 dar, die einem Graphen überlagert ist, der sich auf einen Spaltabstand D zwischen der ersten Wicklung 620 und der Skala 120 von einer Position P auf der ersten Wicklung 620 längs der Meßachse 130 bei einem Neigungswinkel θ erstreckt. Der wirksame Spaltabstand zwischen der ersten Wicklung 620 und der Skala 120 ist d₁, wobei d₁ dem Abstand der ersten Wicklung 620 von der Skala 120 auf der ersten Symmetrieachse 640 entspricht, die auch die Flächenschwerpunktsachse der Wicklung ist. Die Wicklung entspricht den in 10 dargestellten Arten, nur daß sie länger ist. Die Aufteilung der resultierenden EMK auf alle positiven und negativen Schleifen 620 und 624 der ersten Wicklung 620 ist Null. Mithin ist die erste Wicklung 620, wie die 16 und 17 zeigen, neigungskompensiert und einer Wicklung äquivalent, die sich genau parallel zur Skala 120 in einem Abstand d₁ von der Skala 120 erstreckt.
Die zweite Wicklung 630 ist ebenfalls einer Wicklung äquivalent, die sich genau parallel zur Skala 120 und in einem Abstand d1 von der Skala 120 erstreckt. 18 stellt ebenfalls eine Seitenansicht der zweiten Wicklung 630, einem Graphen überlagert dar, der sich auf den Spaltabstand D zwischen der zweiten Wicklung 630 und der Skala 120 an einer Position P auf der ersten Wicklung 630 längs der Meßachse 130 bei einem Neigungswinkel θ bezieht.
Der mittlere Abstand der ersten Teilwicklung 631 von der Skala 120 ist d₂, wobei d₂ dem Abstand der Wicklung 630 von der Skala 120 an der zweiten Symmetrieachse 642 entspricht. Der mittlere Abstand der zweiten Teilwicklung 635 von der Skala 120 ist d₃, wobei d₃ dem Abstand der zweiten Wicklung 630 von der Skala 120 an der dritten Symmetrieachse 644 entspricht. Mithin kann, wie es in 19 dargestellt ist, die zweite Wicklung 630 als zwei elektrisch verbundene Teilwicklungen mit verschiedenen mittleren Abständen betrachtet werden. Der Mittelwert der beiden mittleren Abstände d₂ und d₃ ist jedoch gleich d₁.
Die zweite Wicklung 630 ist daher einer Wicklung äquivalent, die parallel zur Skala 120 ist und einen Abstand d₁ von der Skala 120 hat. Ferner ist jede Teilwicklung 631 und 635 für sich neigungskompensiert und symmetrisch in Bezug auf eine Achse. Da jede Teilwicklung 631 und 635 neigungskompensiert ist, sind beide in Kombination ebenfalls neigungskompensiert. Die Wicklung 630 ähnelt dem in 12 dargestellten Typ.
Die erste Symmetrieachse 640, die gleichzeitig die Flächenschwerpunktsachse der Wicklung 620 ist, ist auch der Ort der Flächenschwerpunktsachse der Wicklung 630. Die Flächenschwerpunkte der Wicklungen 620 und 630 liegen daher, trotz ihrer räumlichen Phasendifferenz, auf einer geraden Linie, so daß die Übereinstimmung ihrer Ausgangssignalamplituden nicht durch die Neigung beeinträchtigt wird.
Für den Fachmann ist ersichtlich, daß es möglich ist, mittels geeigneter Signalverarbeitungsmittel, z. B. solcher, wie sie vorstehend im einzelnen dargelegt wurden, einen brauchbaren Positionsgeber nach den vorstehenden Ausführungsformen herzustellen, wenn die Rolle der Wicklungen vertauscht wird. Die Wicklungen 620 und 630 können als Flußmeßwicklungen benutzt werden, während die Wicklung 610 als Magnetfeldgenerator zur Erzeugung eines sich ändernden Magnetflusses verwendet wird. Alternativ kann die Rolle der Wicklungen vertauscht werden, so daß die Wicklungen 620 und 630 als Magnetfeldgeneratorwicklungen zur Erzeugung eines sich ändernden magnetischen Flusses verwendet werden, während die Wicklung 610 als Magnetflußmeßwicklung verwendet wird.
20 stellt drei Wicklungen 810, 820 und 830 mit verschiedenen räumlichen Phasen dar. Irgendeine dieser Wicklungen oder alle kann bzw. können als Magnetfeldgenerator oder Magnetflußfühler verwendet werden. Die Wicklungen 810, 820 und 830 sind räumlich modulierte Abschnitte, die sich längs der Meßachse erstrecken und effektive Flußverkettungsbereiche begrenzen. Die Flußverkettungsbereiche sind relativ zu einer Vielzahl von Polaritätszonen verteilt, die in den 20 und 21 durch gestrichelte Linien begrenzt dargestellt sind.
Jede der Wicklungen 810, 820 und 830 hat eine Flächenschwerpunktsachse, die in einer zur Meßachse senkrechten Ebene liegt. Wie vorstehend schon angegeben wurde, wird der Ort der Flächenschwerpunktsachse längs der Meßachse so gewählt, daß, wenn jeder inkrementelle Teil aller Flußverkettungsbereiche (oder -flächen) mit dem vorzeichenbehafteten Abstand dieses inkrementellen Teils von der Flächenschwerpunktsachse multipliziert wird, die Summe aller dieser Produkte gleich Null ist. Nach 20 ist die Lage des Flächenschwerpunkts jeder Wicklung 810, 820 und 830 der Symmetriepunkt dieser Wicklung. Die Flächenschwerpunktsachsen fluchten nicht miteinander. Die Ausgangssignalamplitude dieser drei räumlichen Phasenwicklungen wäre daher neigungsabhängig in dem Sinne, daß die Ausgangssignalamplituden dieser Wicklungen nicht übereinstimmen würden, wenn die Wicklungen gemeinsam auf einem Lesekopf angeordnet würden.
21 stellt eine Abwandlung der dreiphasigen Wicklungskonfiguration nach 20 dar, bei der eine Schleife der Wicklung 810 und eine Schleife der Wicklung 820 um eine Wellenlänge λ verschoben sind. Mit anderen Worten, zumindest eine Polaritätszone hat eine Gesamtflußverkettungsfläche, die von der Gesamtflußverkettungsfläche in einer benachbarten Polaritätszone bei den Wicklungen 810' und 820' abweicht. Dies ermöglicht eine Verschiebung der Flächenschwerpunktsachsen der Wicklungen 810 und 820, ohne ihre räumliche Phasenlage zu ändern, wie bereits anhand der 14A–14C dargelegt wurde. In diesem Fall hat die Wicklung 810' eine Schleife 850, die um eine Wellenlänge λ verschoben worden ist, und die Wicklung 820' eine Schleife 860, die um eine Wellenlänge λ verschoben ist. Mithin begrenzt die Schleife 850 eine Flußverkettungseinheitsfläche in ihrer entsprechenden Polaritätszone, während die benachbarte Polaritätszone drei Flußverkettungseinheitsflächen und die nächste zwei Flußverkettungseinheitsflächen aufweist.
Bei der Ausführungsform nach 21 liegen die Flächenschwerpunkte aller Wicklungen auf einer geraden Linie 840. Durch eine Verschiebung der Schleifen 850 und 860, so daß ihre Flächenschwerpunkte auf einer geraden Linie liegen, wird die Amplitudenmodulations-Neigungsfehlanpassungsabhängigkeit zwischen den drei Phasen auf Kosten bestimmter Neigungsfehler bei den einzelnen Wicklungssignalen wirksam vermieden. Die Einhaltung der Signalamplitudenanpassung von Wicklung zu Wicklung kann unter Umständen das Hauptauslegungskriterium sein, so daß dieses Neigungskompensationsverfahren mitunter brauchbar ist.
Anhand der obigen detaillierten Beschreibung ist für den Fachmann ersichtlich, daß alle oder einige neigungsbedingte Rusgangssignalfehler mittels der erfindungsgemäßen neigungskompensierten induktiven Positionsgeber-Konfigurationen vermieden werden können. Ferner können diskrete Flußsensoren mit gleicher Empfindlichkeit, z. B. Hall-Effekt-Bauelemente und dergleichen, mit gleicher Empfindlichkeit und mithin gleich wirksamen Verkettungsflächen, ähnlich wie die gleichen Gruppen individueller Schleifen, die vorstehend offenbart wurden, ausgebildet werden. Mithin sind die hier offenbarten neigungskompensierten Konfigurationen vorteilhaft bei einer Anordnung einer neigungsunempfindlichen Reihe solcher Sensoren bzw. Geber.

Claims

Neigungskompensierter induktiver Positionsgeber, der aufweist: ein erstes Glied (120) mit wenigstens einem Skalenelement, das längs einer Meßachse angeordnet ist; ein zweites Glied (210), das in der Nähe des ersten Gliedes und relativ zu diesem verschiebbar angeordnet ist; wenigstens einen Magnetfeldgenerator (220), der auf dem zweiten Glied angeordnet ist und einen sich ändernden Magnetfluß erzeugt; und wenigstens einen Magnetflußsensor (200), der auf dem zweiten Glied angeordnet ist; wobei: a) der eine Magnetfeldgenerator bzw. einer der Magnetfeldgeneratoren und b) jeder Magnetflußsensor wenigstens einen räumlich modulierten Abschnitt (222–230) mit einer definierten räumlichen Phase aufweist, das wenigstens eine Skalenelement die effektive Flußkopplung zwischen dem wenigstens einen Magnetflußsensor und dem wenigstens einen Magnetfeldgenerator räumlich moduliert und jeder Magnetflußsensor ein Ausgangssignal erzeugt, das die relative Position zwischen dem Magnetflußsensor und dem wenigstens einen Flußskalenelement anzeigt, und jeder räumlich modulierte Abschnitt wenigstens einen Neigungsausgleichabschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß: jeder räumlich modulierte Abschnitt (222–230) eine Flächenschwerpunktsachse hat, die in einer senkrecht zur Meßachse stehenden Ebene liegt und so angeordnet ist, daß, wenn jeder inkrementelle Teil von effektiven Flußkopplungsflächen des räumlich modulierten Abschnitts mit einem vorzeichenbehafteten Abstand von jenem inkrementellen Teil bis zu der Flächenschwerpunktsachse multipliziert wird, die Summe dieser Produkte gleich Null ist; und wenigstens einer von a) wenigstens einem räumlich modulierten Abschnitt (220–230) geometrisch asymmetrisch um den Flächenschwerpunkt des wenigstens einen räumlich modulierten Abschnitts herum angeordnet ist und b) wenigstens ein räumlich modulierter Abschnitt eine Vielzahl von Wicklungsgruppen aufweist, die die effektiven Flußkopplungsflächen einschließt, und die Vielzahl von Wicklungsgruppen durch wenigstens einen freien Raum verbunden sind, der die Wicklungsgruppen trennt, die keine Flußkopplungsfläche aufweisen.
Neigungskompensierter induktiver Positionsgeber nach Anspruch 1, bei dem sich der räumlich modulierte Abschnitt (220–230) längs der Meßachse erstreckt und effektive Flußkopplungsflächen definiert, die relativ zu einer Vielzahl von Polaritätszonen verteilt sind, die sich längs der Meßachse erstrecken, wobei benachbarte Polaritätszonen, die nicht durch freie Räume verbunden sind, Beiträge mit entgegengesetzter Polarität zum Ausgangssignal leisten.
Neigungskompensierter induktiver Positionsgeber nach Anspruch 2, beidem der Neigungsausgleichabschnitt effektive Flußkopplungsflächen aufweist, die in den Polaritätszonen so verteilt sind, daß die gesamte effektive Flußkopplungsfläche in wenigstens einer Polaritätszone von der gesamten effektiven Flußkopplungsfläche in einer benachbarten Polaritätszone abweicht, und bei dem die gesamte effektive Flußkopplungsfläche in den positiven Polaritätszonen der gesamten effektiven Flußkopplungsfläche in den negativen Polaritätszonen innerhalb des Neigungsausgleichabschnitts gleicht.
Neigungskompensierter induktiver Positionsgeber nach Anspruch 2, bei dem: der Neigungsausgleichabschnitt effektive Flußkopplungsflächen aufweist, die so verteilt sind, daß die effektiven Flußkopplungsflächen in den positiven Polaritätszonen zusammen eine erste Flächenschwerpunktsachse haben; die effektiven Flußkopplungsflächen in den negativen Polaritätszonen zusammen eine zweite Flächenschwerpunktsachse haben und die erste und die zweite Flächenschwerpunktsachse an der gleichen Stelle auf dem zweiten Glied längs der Meßachse liegen, wobei jede Flächenschwerpunktsachse in einer Ebene liegt, die senkrecht zur Meßachse steht und so angeordnet ist, daß, wenn jeder inkrementelle Teil aller effektiven Flußkopplungsflächen in der gleichnamigen Polaritätszone mit dem vorzeichenbehafteten Abstand von jenem inkrementellen Teil bis zu der Flächenschwerpunktsachse multipliziert wird, die Summe dieser Produkte gleich Null ist.
Neigungskompensierter induktiver Positionsgeber nach Anspruch 2, bei dem die gesamte effektive Flußkopplungsfläche in einer Polaritätszone durch die Summe der effektiven Flußkopplungsflächen bestimmt wird, die durch alle K Leiterschleifen umschrieben werden, die weitgehend mit der Polaritätszone zusammenfallend angeordnet sind, wobei K eine ganze Zahl ist, die größer als oder gleich Null ist, wobei alle Leiterschleifen die gleiche Größe und Form haben und ihre Länge längs der Meßachse weitgehend gleich der Länge des wenigstens einen Skalenelements ist, wobei wenigstens ein Neigungsausgleichabschnitt wenigstens einen Teilsatz von N benachbarten Polaritätszonen aufweist, deren Flußkopplungsfläche eine Effektivität gleich Null aufweist, wobei N eine ungerade Zahl ist, wobei der wenigstens eine Teilsatz aus N benachbarten Polaritätszonen durch Polaritätszonen verbunden ist, die effektive Flußkopplungsflächen aufweisen, und wobei die Verteilung der effektiven Flußkopplungsflächen in dem wenigstens einen Neigungsausgleichabschnitt symmetrisch um eine Symmetrieebene herum ist, die senkrecht zur Meßachse steht und im Mittelpunkt zwischen längs der Meßachse angeordneten Extrema der Flußkopplungsflächen angeordnet ist, die im Neigungsausgleichabschnitt enthalten sind.
Neigungskompensierter induktiver Positionsgeber nach Anspruch 1, bei dem die Flächenschwerpunktsachsen aller räumlich modulierten Abschnitte an der gleichen Stelle auf dem zweiten Glied längs der Meßachse liegen.
Neigungskompensierter induktiver Positionsgeber nach Anspruch 6, der wenigstens zwei räumlich modulierte Abschnitte aufweist, von denen jeder eine einzige neigungsausgeglichene Wicklung aufweist.
Neigungskompensierter induktiver Positionsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem wenigstens ein räumlich modulierter Abschnitt wenigstens zwei Neigungsausgleichabschnitte aufweist, die elektrisch verbunden und längs der Meßachse geradlinig angeordnet sind.
Neigungskompensierter induktiver Positionsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das wenigstens eine Skalenelement wenigstens eine Leiterschleife aufweist, die einen Magnetfeldgenerator mit einem Magnetflußsensor induktiv koppelt und neben dem Magnetflußsensor einen sich ändernden Fluß in Abhängigkeit von einem sich ändernden Fluß des Magnetfeldgenerators erzeugt.
Neigungskompensierter induktiver Positionsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der drei räumlich modulierte Abschnitte aufweist, die jeweils räumliche Phasenverschiebungen aufweisen, die um etwa 60° räumlicher Phasenverschiebung getrennt sind, um einen dreiphasigen Positionsgeber zu bilden.