DE102011106940A1 - Position measuring unit for measuring position of measuring scale i.e. broad strip, and sampling unit, has pairs of receiver coils switched in series manner, where distance between pairs of coils is integral multiple of pitch distance - Google Patents
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- G01D5/2046—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable ferromagnetic element, e.g. a core
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a position measuring device according to the preamble of claim 1.
Aus der
Die Abtasteinrichtung der
Im Rahmen dieser Anmeldung wird eine Leiterbahnanordnung, welche im Wesentlichen das gleiche elektromagnetische Feld wie eine spulenförmige bzw. spiralförmig verlaufende Leiterbahn erzeugt, als effektive Spule bezeichnet. Hierbei ist insbesondere an eine Ausführungsform gedacht, bei der mehrere effektive Spulen durch eine schlangenlinienförmige Leiterbahn gebildet werden, wie sie beispielsweise aus der
In der
Der Nachteil der bekannten Positionsmesseinrichtung besteht in dem Platzbedarf der Kompensationssenderspulen EK1, EK2, in denen keine Empfängerspulenpaare angeordnet sind. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Positionsmesseinrichtung anzugeben, bei welcher der Randfehler des Senderfeldes ohne gesonderte Kompensationselemente kompensiert wird.The disadvantage of the known position-measuring device is the space requirement of the compensation transmitter coils EK1, EK2, in which no receiver coil pairs are arranged. The object of the invention is to provide a position measuring device in which the edge error of the transmitter field is compensated without separate compensation elements.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass ein erstes Empfängerspulenpaar, welches innerhalb der in Messrichtung zuerst gelegenen Senderspule angeordnet ist, und ein letztes Empfängerspulenpaar, welches innerhalb der in Messrichtung zuletzt gelegenen Senderspule angeordnet ist, in Reihe geschaltet sind, wobei die Windungsrichtungen des ersten und des letzten Empfängerspulenpaares und der ersten und der letzten Senderspule entweder beide gleich oder beide entgegengesetzt sind, wobei der Abstand des ersten und des letzten Empfängerspulenpaares ein ganzzahliges Vielfaches des Teilungsabstandes λ ist. Demnach ist auch in der ersten und der letzten Senderspule jeweils ein Empfängerspulenpaar angeordnet, so dass kein Bauraum für gesonderte Kompensationssenderspulen erforderlich ist. Die Messspannungen des ersten und des letzten Empfängerspulenpaares werden durch Reihenschaltung aufaddiert. Der Abstand der genannten Empfängerspulenpaare ist dabei so gewählt, dass sie die gleiche Relativstellung bezüglich der zugeordneten Messmarkierung der Maßverkörperung aufweisen. Die beanspruchten Windungsrichtungen der Sender- und der Empfangsspulen bewirken, dass sich der Nutzanteil der Messspannung des ersten und des letzten Empfängerspulenpaares aufaddiert. Das veränderte Feld am Rand der Senderwindungsanordnung erzeugt gegenpolige Spannungsanteile in den beiden Empfängerspulenpaaren, so dass sich die Randeffekte durch die Reihenschaltung auslöschen. Der genannte Feldfehler am Rand ist maßgeblich darauf zurückzuführen, dass die erste und die letzte effektive Senderspule nur eine benachbarte Senderspule aufweisen, wohingegen die übrigen Senderspulen zu beiden Seiten eine benachbarte Senderspule aufweisen. Der Betrag der Fehlerspannung in einer der Einzelspulen des Empfängerspulenpaares hängt dabei hauptsächlich vom Abstand der Einzelspule zur benachbarten Senderspule ab. Für eine wirksame Kompensation ist es daher erforderlich, dass jeweils zwei Einzelspulen, welche den gleichen Abstand zur benachbarten Senderspule aufweisen, eine entgegen gesetzte Störspannung aufweisen. Die Störspannung ist dabei diejenige Spannung, welche durch die einzelne benachbarte Senderspule in die Einzelspule des Empfängerspulenpaares induziert wird. Durch die vorgeschlagene Windungsrichtung der effektiven Sender- und der zugeordneten effektiven Empfängerspulen wird genau der gewünschte Effekt erzielt. Sämtliche anderen Kombinationen bezüglich der Windungsrichtung führen nicht zu dem gewünschten Effekt, d. h. entweder addieren sich die Nutzspannungsanteile des ersten und des letzten Empfängerspulenpaares nicht auf oder die gewünschte Kompensation findet nicht statt.This object is achieved according to claim 1, characterized in that a first pair of receiver coils, which is arranged within the transmitter coil located first in the measuring direction, and a last pair of receiver coils, which is arranged within the last in the measuring direction transmitter coil, are connected in series, wherein the winding directions of the the first and last receiver coil pairs and the first and last transmitter coils are either both equal or opposite to each other, the spacing of the first and last receiver coil pairs being an integer multiple of the pitch λ. Accordingly, a receiver coil pair is arranged in each case in the first and the last transmitter coil, so that no installation space for separate compensation transmitter coils is required. The measuring voltages of the first and the last receiver coil pair are added by series connection. The distance of said receiver coil pairs is chosen so that they have the same relative position with respect to the associated measuring mark of the material measure. The claimed winding directions of the transmitter and receiver coils cause the useful portion of the measuring voltage of the first and the last receiver coil pair to be added up. The changed field at the edge of the transmitter winding arrangement generates opposite pole voltage components in the two receiver coil pairs, so that the edge effects cancel out by the series connection. The mentioned field error at the edge is mainly due to the fact that the first and the last effective transmitter coil have only one adjacent transmitter coil, whereas the other transmitter coils have an adjacent transmitter coil on both sides. The amount of error voltage in one of the individual coils of the receiver coil pair depends mainly on the distance of the single coil to the adjacent transmitter coil. For effective compensation it is therefore necessary that in each case two individual coils, which have the same distance from the adjacent transmitter coil, have an opposite interference voltage. The interference voltage is that voltage which is induced by the single adjacent transmitter coil in the single coil of the receiver coil pair. The proposed winding direction of the effective transmitter and the associated effective receiver coils exactly the desired effect is achieved. All other combinations with respect to the winding direction do not lead to the desired effect, ie either the useful voltage components of the first and the last receiver coil pair do not add up or the desired compensation does not take place.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindungen angegeben.In the dependent claims advantageous refinements and improvements of the inventions are given.
Die Senderwindungsanordnung und/oder die Empfängerspulenpaare können je eine erste und eine zweite Gruppe von Leiterbahnen aufweisen, deren Enden elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die Leiterbahnen einer Gruppe jeweils schlangenlinienartig mit geringem Abstand parallel zueinander verlaufen, wobei sich die Leiterbahnen der beiden Gruppen derart kreuzen, dass sie mehrere effektive Spulen definieren. Eine effektive Senderspule wird dabei jeweils von einem Bogenabschnitt der ersten Gruppe von Leiterbahnen und dem zugeordneten Bogenabschnitt der zweiten Gruppe von Leiterbahnen gebildet. Bei dieser Ausführungsform werden alle effektiven Spulen der Senderwindungsanordnung bzw. eines Empfängerspulenpaares vom gleichen Strom umflossen. Damit ist sichergestellt, dass insbesondere alle effektiven Senderspulen ein bis auf einen Vorzeichenunterschied gleiches elektromagnetisches Feld erzeugen. Folglich ist die erfindungsgemäße Kompensation des Randeffekts besonders gut. Hierbei ist anzumerken dass insbesondere die maßgeblichen ersten und letzten Senderspulen das gleiche elektromagnetische Feld erzeugen müssen.The transmitter winding arrangement and / or the receiver coil pairs may each have a first and a second group of conductor tracks whose ends are electrically conductively connected to each other, wherein the conductor tracks of a group each serpentine parallel to each other at a small distance, with the interconnects of the two groups intersect such in that they define several effective coils. An effective transmitter coil is in each case formed by an arc section of the first group of conductor tracks and the associated arc section of the second group of conductor tracks. In this embodiment, all effective coils of the transmitter coil assembly and a receiver coil pair, respectively, are surrounded by the same current. This ensures that, in particular, all effective transmitter coils generate an electromagnetic field that is identical except for a sign difference. Consequently, the inventive compensation of the edge effect is particularly good. It should be noted that in particular the relevant first and last transmitter coils must generate the same electromagnetic field.
Dies ist in der Regel nicht der Fall, wenn mehrere der aus der
Es können mehrere Gruppen von in Reihe geschalteten Empfängerspulenpaaren vorgesehen sein, wobei die Gruppe mit dem ersten und dem letzten Empfängerspulenpaar ein Empfängerspulenpaar mehr aufweist als die übrigen Gruppen von Empfängerspulenpaaren, wobei innerhalb aller effektiver Senderspulen ein Empfängerspulenpaar angeordnet ist. Es ist grundsätzlich denkbar, eine der mittig gelegenen effektiven Senderspulen nicht mit einem Empfängerspulenpaar zu versehen. Hierdurch würde man jedoch Bauraum vergeuden, ahne dass dem ein technischer Nutzen gegenübersteht. Es ist daher vorteilhaft, alle effektiven Senderspulen mit einem Empfängerspulenpaar zu versehen. Damit sich dabei die erfindungsgemäße Kompensation ergibt, muss die Gruppe mit dem ersten und dem letzten Empfängerspulenpaar ein Empfängerspulenpaar mehr aufweisen als die übrigen Spulengruppen. Meist kommen zwei Gruppen von Empfängerspulenpaaren zum Einsatz, deren Messspannungen um 90° phasenversetzt sind. Es ist aber auch denkbar mehr als zwei Gruppen zu verwenden, da hierdurch die Messgenauigkeit gesteigert werden kann. Eine entsprechende Positionsmesseinrichtung ist Gegenstand einer weiteren Patentanmeldung, die zeitgleich durch die Anmelderin eingereicht wurde.There may be a plurality of groups of series-connected receiver coil pairs, the group having the first and the last receiver coil pair having a receiver coil pair more than the remaining groups of receiver coil pairs, wherein a receiver coil pair is arranged within all effective transmitter coils. It is fundamentally conceivable not to provide one of the centrally situated effective transmitter coils with a receiver coil pair. However, this would waste space, without this being a technical benefit. It is therefore advantageous to provide all effective transmitter coils with a receiver coil pair. So that the compensation according to the invention results, the group with the first and the last receiver coil pair must have a receiver coil pair more than the other coil groups. Usually, two groups of receiver coil pairs are used whose measuring voltages are phase-shifted by 90 °. However, it is also conceivable to use more than two groups, as this can increase the measurement accuracy. A corresponding position measuring device is the subject of a further patent application, which was filed at the same time by the applicant.
Für den Teilungsabstand δ der Senderwindungsanordnung kann die Beziehung n × λ = m × δ gelten, wobei n und m beliebig positive ganze Zahlen sind. Aus der
Je eine effektive Senderspule kann mit dem zugeordneten effektiven Empfängerspulenpaar ein Abtastelement definieren, wobei alle Abtastelemente mit Ausnahme der Windungsrichtung im Wesentlichen identisch ausgeführt sind. Zwei Abtastelemente sind im Wesentlichen identisch, wenn die effektiven Senderspulen das gleiche elektromagnetische Feld erzeugen, wobei die Empfängerspulenpaare in gleicher Weise auf dieses Feld reagieren. Bei planaren Spulen kommt es hierbei insbesondere nicht darauf an, wie verschiedene Leiterbahnabschnitte miteinander verbunden sind, solange die räumliche Verteilung der Ströme gleich bleibt. Bei der vorstehend vorgeschlagenen Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Kompensation besonders gut, da alle Abtastelemente das gleiche elektromagnetische Verhalten aufweisen.One effective transmitter coil each can define a sensing element with the associated effective receiver coil pair, with all sensing elements except the winding direction being substantially identical. Two sensing elements are essentially identical when the effective Transmitter coils generate the same electromagnetic field, the receiver coil pairs react in the same way to this field. In the case of planar coils, it does not matter in particular how different conductor track sections are connected to one another as long as the spatial distribution of the currents remains the same. In the embodiment proposed above, the compensation according to the invention is particularly good, since all the scanning elements have the same electromagnetic behavior.
Alle Abtastelemente können im Wesentlichen symmetrisch bezüglich einer Mittelachse ausgeführt sein. Die Abtastelemente sind im Wesentlichen symmetrisch der Mittelachse, wenn die Stromverteilung in den entsprechenden Leiterbahnen symmetrisch zur Mittelachse ist. Bei dieser Ausführungsform ist gewährleistet, dass die zu einem Empfangsspulenpaar links benachbarte Senderspule und die rechts benachbarte Senderspule bis auf einen Vorzeichenunterschied die gleiche Wirkung auf das Empfängerspulenpaar zeigen. Somit ist die erfindungsgemäße Kompensation bei dieser Ausführungsform besonders gut.All sensing elements may be substantially symmetrical with respect to a central axis. The sensing elements are substantially symmetrical about the central axis when the current distribution in the respective tracks is symmetrical to the central axis. In this embodiment, it is ensured that the transmitter coil adjacent to a receiver coil pair to the left and the transmitter coil adjacent to the right have the same effect on the receiver coil pair except for a sign difference. Thus, the compensation according to the invention is particularly good in this embodiment.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:The invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:
Die Abtasteinrichtung
An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass die
In
Die Stromrichtung der einzelnen effektiven Senderspulen Sij ist in
Anzumerken ist, dass bei den Empfängerspulenpaaren Eij ebenfalls die sich kreuzenden Gruppen von schlangenlinienartigen Leiterbahnen zum Einsatz kommen können, wie sie bei der Senderwindungsanordnung
Die Empfängerspulenpaare Eij sind jeweils zu Gruppen in Reihe geschaltet. Die erste Gruppe umfasst die Empfängerspulenpaare E11, E12, E13, die zweite Gruppe die Empfängerspulenpaare E21, E22 und die dritte Gruppe die Empfängerspulenpaare E31, E32. Die in
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Empfängerspulenpaare E11, E12 und E13 zu einer ersten Gruppe von Empfängerspulenpaaren in Reihe geschaltet. Die Empfängerspulenpaare E11 und E13 weisen dabei jeweils die gleiche Relativstellung zur zugeordneten Messmarkierung auf, wobei die zugeordneten effektiven Senderspulen S11 und S13 die gleiche Windungsrichtung aufweisen. Das Empfängerspulenpaar E12 ist dagegen um 180° phasenverschoben gegenüber der zugeordneten Messmarkierung angeordnet, wobei die Senderspule S12 gegenüber den Senderspulen S11 und S13 eine entgegen gesetzte Windungsrichtung aufweist. An dieser Stelle sei noch einmal darauf hingewiesen, dass alle Empfängerspulen die gleiche Windungsrichtung aufweisen. Die erforderliche Umpolung des Empfängerspulenpaares E12 könnte man selbstverständlich auch durch eine Umkehrung seiner Windungsrichtung erzeugen. Dies kommt bei der vorliegenden Ausführungsform aber nicht in Betracht, da durch den vorliegenden Aufbau der Senderwindungsanordnung
Der Randeffekt, der durch die erfindungsgemäße Kompensationsanordnung ausgeglichen werden soll, kommt dadurch zustande, dass auf ein Empfängerspulenpaar nicht nur die direkt zugeordnete effektive Senderspule Sij einwirkt, sondern auch die benachbarten effektiven Senderspulen. Hierbei kommt es hauptsächlich auf die unmittelbar benachbarten effektiven Senderspulen an, während die Einflüsse der weiter entfernt liegenden effektiven Senderspulen vernachlässigt werden können, da die Feldstärke einer effektiven Senderspule mit zunehmendem Abstand schnell abnimmt.The edge effect that is to be compensated by the compensation arrangement according to the invention is due to the fact that acting on a pair of receiver coils not only the directly associated effective transmitter coil S ij , but also the adjacent effective transmitter coils. This is mainly due to the immediately adjacent effective transmitter coils, while the effects of the more distant effective transmitter coils can be neglected, since the field strength of an effective transmitter coil decreases rapidly with increasing distance.
Bei der vorliegenden Abtasteinrichtung
Das erste und das letzte Empfängerspulenpaar E11 und E13 besitzen jeweils nur eine einzige unmittelbare benachbarte effektive Senderspule S21 bzw. S32. Der vorstehend beschriebene Effekt kann also nicht zum Tragen kommen. In den genannten Empfängerspulenpaaren E11 und E13 wird daher eine Störspannung induziert, welche das Messergebnis verfälscht. Mit der erfindungsgemäßen Zusammenschaltung der Empfängerspulenpaare E11 und E13 wird erreicht, dass sich diese beiden Störspannungen genau auslöschen, so dass keine Verfälschung des Messergebnisses mehr auftritt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Senderspulen S21 und S32 ein im Wesentlichen identisches elektromagnetisches Feld erzeugen, so dass die in den Einzelspulen En11 , Ep11 bzw. En13, Ep13 induzierten Spannungen nur von dem Abstand zwischen den Senderspulen und den zugeordneten Einzelempfängerspulen abhängen. Demnach induziert die effektive Senderspule S21 in die Einzelspule Ep11 die betragsmäßig gleiche Spannung wie die Senderspule S32 in die Einzelspule En13, da beide den gleichen Abstand aufweisen. Die genannten Spannungen besitzen jedoch ein entgegen gesetztes Vorzeichen, da die Einzelspulen Ep11 und En13 eine entgegen gesetzte Windungsrichtung aufweisen. Durch die Reihenschaltung der Empfängerspulenpaare E11 und E13 löschen sich die genannten Spannungen aus. Die Einzelspulen En11 und Ep13 besitzen ebenfalls den gleichen Abstand zu den effektiven Senderspulen S21 bzw. S32, so dass auch hier ein entsprechender Auslöschungseffekt auftritt. Wenn man die Windungsrichtung des ersten und/oder des letzten Empfängerspulenpaares E11, E13 umkehrt, bleibt dies ohne Einfluss auf den vorstehend beschriebenen Kompensationseffekt, wenn gleichzeitig die Windungsrichtung der zugeordneten effektiven Senderspule S11 bzw. S13 umgekehrt wird.The first and last receiver coil pairs E 11 and E 13 each have only a single immediate adjacent effective transmitter coil S 21 and S 32, respectively. The effect described above can therefore not come into play. In the mentioned receiver coil pairs E 11 and E 13 therefore an interference voltage is induced, which falsifies the measurement result. With the interconnection of the receiver coil pairs E 11 and E 13 according to the invention, it is achieved that these two interference voltages cancel out exactly, so that there is no longer a falsification of the measurement result. It is assumed that the transmitter coils S 21 and S 32 generate a substantially identical electromagnetic field, so that in the individual coils En 11 , Ep 11 and En 13 , Ep 13 induced voltages only from the distance between the transmitter coils and the Depend on assigned single receiver coils. Accordingly, the effective transmitter coil S 21 induced in the single coil Ep 11 the same magnitude as the transmitter coil S 32 in the single coil En 13 , since both have the same distance. However, the voltages mentioned have an opposite sign, since the individual coils Ep 11 and En 13 have an opposite winding direction. By the series connection of the receiver coil pairs E 11 and E 13 , the said voltages extinguish. The individual coils En 11 and Ep 13 also have the same distance to the effective transmitter coils S 21 and S 32 , so that here, too, a corresponding cancellation effect occurs. If one reverses the winding direction of the first and / or the last receiver coil pair E 11 , E 13 , this remains without influence on the compensation effect described above, if at the same time the winding direction of the associated effective transmitter coil S 11 and S 13 is reversed.
Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, kommt es für den Kompensationseffekt entscheidend darauf an, dass alle effektiven Senderspulen Sij das gleiche elektromagnetische Feld erzeugen. Deshalb kann der erfindungsgemäße Kompensationseffekt mit der aus der
Die zweite und die dritte Gruppe von in Reihe geschalteten Empfängerspulenpaaren E21, E22 bzw. E31, E32 umfasst jeweils ein Empfängerspulenpaar weniger als die erste Gruppe E11, E12, E13. Der daraus resultierende Unterschied in den Signalstärken muss bei der Auswertung der Messspannungen, die an den Anschlüssen U1, U2, U3 anliegen, berücksichtigt werden. Bei den genannten Messspannungen handelt es sich um Sinussignale, welche die gleiche Frequenz aufweisen, wie die in die Senderwindungsanordnung
Hinzuweisen ist außerdem darauf, dass die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- λλ
- Teilungsabstand der MaßverkörperungPitch of the material measure
- δδ
- Teilungsabstand der AbtasteinrichtungPitch of the scanner
- Sij S ij
- effektive Senderspuleeffective transmitter coil
- Us U s
- Spannungsanschluss der SenderwindungsanordnungVoltage connection of the transmitter winding arrangement
- Enij, Epij En ij , Ep ij
- EinzelspuleSingle coil
- Eij E ij
- Empfängerspulenpaar, bestehend aus den Einzelspulen Enij Receiver coil pair, consisting of the individual coils En ij
- Ui U i
- Spannungsanschluss der EmpfängerwindungsanordnungVoltage connection of the receiver winding arrangement
- 1010
- PositionsmesseinrichtungPosition measuring device
- 1111
- Messrichtungmeasuring direction
- 2020
- MaßverkörperungMeasuring standard
- 2121
- Messmarkierungmeasurement mark
- 3030
- Abtasteinrichtungscanning
- 3131
- Mittelachse eines AbtastelementsCenter axis of a scanning element
- 4040
- SenderwindungsanordnungSend Erwin extension arrangement
- 4141
- erste Gruppe von Leiterbahnenfirst group of tracks
- 4242
- zweite Gruppe von Leiterbahnensecond group of tracks
- 4343
- senkrecht zur Messrichtung verlaufender Abschnitt; Kreuzungsbereichperpendicular to the direction of measurement extending section; crossing area
- 4444
- Durchkontaktierungvia
- 5050
- EmpfängerwindungsanordnungEmpfängerwindungsanordnung
- 5151
- Abstand des ersten und des letzten EmpfängerspulenpaaresDistance between the first and last receiver coil pairs
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102009042940 [0004, 0032] DE 102009042940 [0004, 0032]
- US 3466580 [0004] US 3466580 [0004]
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