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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wegaufnehmer mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des unabhängigen
Anspruchs 1.
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Derartige
Wegaufnehmer dienen zur Bestimmung einer Relativbewegung zweier
Objekte.
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Vorbekannte
Wegaufnehmer weisen üblicherweise
ein aktives Messelement auf, das geeignet ist, wenigstens ein Messfeld
aufzubauen. Als aktive Messelemente sind sowohl induktive Aufnehmer als
auch optische Systeme (Lichtschranken) bekannt.
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In
das induktive bzw. optische Messfeld des aktiven Messelements ist
wenigstens ein passives Messelement bewegbar. Somit findet eine
Relativbewegung zwischen aktivem und passivem Messelement statt.
Diese Relativbewegung erfolgt üblicherweise
im wesentlichen senkrecht zur Erstreckungsrichtung des von dem aktiven
Messelement aufgebauten Messfeldes.
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Wird
als aktives Messelement ein induktiver Aufnehmer verwendet, so handelt
es sich bei dem passiven Messelement üblicherweise um einen ferromagnetischen
Körper
zur Veränderung
des von dem induktiven Aufnehmer aufgebauten induktiven Feldes.
Es ist jedoch auch bekannt, als passives Messelement Magneten zu
verwenden, die in dem induktiven Aufnehmer aufgrund der Bewegung
des Magneten durch Induktion einen Strom erzeugen.
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Ein
derartiger vorbekannter Wegaufnehmer 51 mit einem induktiven
Aufnehmer 52 und als ferromagnetische Körper ausgebildeten passiven
Messelementen 531, 532, 533, 53k ist
in 5 gezeigt.
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Wie
ersichtlich sind in 5 die
ferromagnischen Körper 531, 532, 533, 53k auf
einer um eine Drehachse drehbaren Scheibe angeordnet. Beim Vorbeilaufen
an dem aktiven Messelement 52 erzeugen die ferromagnetischen
Körper 531, 532, 533, 53k in
dem aktiven Messelement 52 durch Induktion einen Strom,
der von dem aktiven Messelement 52 ausgegeben wird. Durch
Zählen
der in dem aktiven Messelement 52 er zeugten Stromstöße erlaubt
der vorbekannte Wegaufnehmer das Feststellen einer Drehbewegung
der drehbaren Scheibe relativ zu dem aktiven Messelement 52.
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Dabei
ist es bei dem vorstehend beschriebenen vorbekannten Wegaufnehmer 51 nachteilig, dass
keine Bewegungsrichtung erfasst werden kann.
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Handelt
es sich bei dem aktiven Messelement jedoch um ein optisches System,
so wird als passives Messelement üblicherweise ein Schlitz in einer
ansonsten lichtundurchlässigen
Fläche
zum Durchlassen einer von dem optischen System emittierten Messstrahlung
oder aber ein Reflektor zum Reflektieren der von dem optischen System
emittierten Messstrahlung verwendet.
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Die
vorstehend beschriebenen Wegaufnehmer werden in allen Bereichen
der Technik, in denen Wege bzw. Winkel zu erfassen sind, eingesetzt.
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Im
Automobilbau dienen sie häufig
zur Erfassung von Drehbewegungen bzw. Winkelstellungen, beispielsweise
in Verbindung mit Anti-Blockier-Systemen oder auch Prüfrädern.
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Prüfräder werden
anstelle der normalen Räder
an Fahrzeugen montiert, um die während
der Benutzung des Fahrzeugs auf das Rad wirkenden Flieh-, Druck-
und/oder Beschleunigungskräfte
bestimmen zu können.
Dabei sind die passiven Messelemente üblicherweise kreisförmig auf
dem Messrad angeordnet und werden mit diesem gedreht, wohingegen
das statische aktive Messelement an der Karosserie des Fahrzeuges
befestigt ist, an dem das Messrad montiert ist.
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Bei
den vorbekannten Wegaufnehmern ist es nachteilig, dass optische
Systeme infolge von Verschmutzung häufig Messfehlern unterliegen.
Daher sind optische Systeme für
die Verwendung in nicht abgekapselten Systemen schlecht geeignet.
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Bei
induktiven Aufnehmern ist es wiederum nachteilig, dass durch das
bei der Messung verwendete Magnetfeld die Gefahr von Überlagerungen
mit anderen Messeinrichtungen besteht. Weiter weisen induktive Aufnehmer
in der Regel einen vergleichsweise hohen Stromverbrauch auf, so
dass lange Messperioden in autonomen Systemen nur schwer realisiert
werden können.
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Insbesondere
in der Feinmechanik ist weiter die Verwendung von Wegaufnehmern
bekannt, die nach dem kapazitiven Prinzip arbeiten. Dabei werden zwei
im wesentlichen parallele Platten aus elektrisch leitfähigem Material
so angeordnet, dass sie ent lang einer Linie, die zu den Platten
im wesentlichen senkrecht steht, aufeinander zu und voneinander
weg bewegt werden können
und so einen Platten-Kondensator mit veränderlicher Kapazität bilden.
Durch Erfassung einer durch die Veränderung des Abstandes der beiden
Platten bewirkten Kapazitätsänderung
ist es mit derartigen kapazitiven Aufnehmern möglich, den aktuellen Abstand
der Platten zueinander und damit auch eine Relativbewegung der Platten
zu erfassen.
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Bei
vorbekannten kapazitiven Aufnehmern ist es nachteilig, dass eine
lineare Abhängigkeit
zwischen Plattenabstand und Kapazität nur besteht, wenn der Abstand
der Platten bezogen auf die Fläche
der Platten sehr klein ist. Die Erfassung von Bewegungen im Bereich
von mehreren Zentimetern ist somit nur mit extrem großen Platten
möglich.
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Aus
der
EP 0 676 623 B1 ist
ein weiterer kapazitiver Positionsgeber bekannt. Bei diesem kapazitiven
Positionsgeber sind eine Vielzahl von Sendeelektroden gruppenweise
in einer Reihe angeordnet. Dabei werden die einzelnen Elektroden
in jeder Gruppe mit unterschiedlichen Sendesignalen beaufschlagt.
Mittels einer Vielzahl von linear angeordneten Koppelelektroden
findet eine kapazitive Kopplung eines von den Sendeelektroden aufgebauten
elektrischen Feldes zu einer Empfangselektrode statt. Dabei sind
die gruppenweise angeordneten Sendeelektroden und die Empfangselektrode
in einer ersten Ebene und die Koppelelektroden in einer zweiten,
zu der ersten Ebene im wesentlichen parallelen Ebene angeordnet.
Um eine Verkippung der beiden Ebenen zueinander feststellen zu können, weisen
entweder die Sendeelektrode oder die Empfangselektrode zumindest
abschnittsweise eine Form auf, deren Fläche nicht konstant ist. Die
Erfassung einer Relativposition der ersten Ebene zu der zweiten
Ebene erfolgt mittels des in
EP
0 676 623 beschriebenen kapazitiven Positionsgebers durch
Erfassung der Amplituden der von den gruppenweise angeordneten Sendeelektroden
jeweils über
die Koppelelektroden auf die Empfangselektrode übertragenen Signale.
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Dabei
ist es nachteilig, dass die Erfassung der Amplitude der Signale
sehr aufwendig ist und insbesondere von dem Abstand der beiden Ebenen
zueinander, abhängt.
Wie in der
EP 0 676 623 ausführlich diskutiert,
führt auch
eine leichte Verkippung der beiden Ebenen gegeneinander zu einer
erheblichen Messungenauigkeit und bedarf daher eines komplizierten
Korrekturmechanismusses.
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Aus
der
EP 0 270 440 B1 ist
ein hochpräziser Aufnehmer
zur Erfassung einer linearen Position oder einer Winkelstellung
mittels kapazitiver Kopplung bekannt. Der Aufnehmer weist in einer
ersten Ebene eine erste Serie von Sendeelektroden, die entlang einer
gegebenen Richtung regelmäßig mit
einem bestimmten Abstand zur Abdeckung eines Verstellbereiches verteilt
sind, auf. Die Sendeelektroden werden durch mehr Phasenspannungen
zur Erzeugung eines in der genannten Richtung beweglichen und den
Verstellbereich periodisch durchlaufenden elektrischen Feldes versorgt.
In der ersten Ebene ist weiter eine Sammelelektrode vorgesehen.
In einer zweiten zu der ersten Ebene parallelen und benachbarten
Ebene ist eine elektrisch leitende Vorrichtung vorgesehen, die in
der genannten Richtung verstellbar ist und einen Teil des Messbereiches
bedeckt und die durch kapazitive Kopplung mit den Sendeelektroden
und mit der Sammelelektrode in dieser eine Spannung induziert. Die
elektrisch leitende Vorrichtung ist zum einen aus einer zweiten
Serie von Elektroden, die eine Anzahl kleiner als die Anzahl der
ersten Sendeelektroden ist und die voneinander weiter beabstandet
sind als die ersten Sendeelektroden und zum anderen aus einer kapazitiven
Koppelelektrode zur Kopplung an die Sammelelektrode aufgebaut. Die
Elektroden der zweiten Serie sind an die Koppelelektrode angeschlossen.
Weiter ist ein Verarbeitungskreis für die induzierte Spannung vorgesehen, wobei
der Verarbeitungskreis eine periodische Integration der mit der
Periode der Feldverschiebung induzierten Spannung durchführt. Weiter
führt der
Verarbeitungskreis zu einem dem halben Integrationswert entsprechenden
Zeitpunkt eine Bestimmung der relativ zu einem Bezugszeitpunkt erfolgten
Verschiebung der beiden Ebenen durch, wobei der Bezugszeitpunkt
einer Bezugsposition der leitenden Vorrichtung innerhalb des Messbereiches
entspricht.
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Obwohl
die
EP 0 270 440 die
Verwendung von Mehrphasenspannungen zur Erzeugung eines in eine
Messrichtung beweglichen und den Verstellbetrieb periodisch durchlaufenden
Feldes offenbart, beruht die in der
EP
0 270 440 offenbarte Positionserfassung auf einer Erfassung
der Amplitude eines empfangenen Signales, da ausdrücklich offenbart wird,
dass eine periodische Integration der mit der Periode der Feldverschiebung
induzierten Spannung zur Positionserfassung erfolgt.
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Daher
leidet auch die aus der
EP 0
270 440 vorbekannte Lösung
allgemein unter den mit der Erfassung einer Amplitude eines Signals
verbundenen Nachteile. Diese Probleme treten insbesondere auf, wenn
die Ebene mit den Sendeelektroden und der Sammelelektrode und die
Ebene mit den Kopplungselektroden nicht zueinander parallel sind.
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Allgemein
ist es bei den vorstehend beschriebenen kapazitiven Positionsgebern
nachteilig, dass die erzeugten und gemessenen elektrischen Felder
jeweils analoge Felder sind. Die analoge Verarbeitung dieser Felder
und insbesondere die Bestimmung der jeweiligen Amplituden eines
jeweiligen analogen Signals ist schaltungstechnisch sehr aufwendig
und ungenau.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wegaufnehmer
bereitzustellen, der einen einfachen, stromsparenden und kostengünstigen
Aufbau aufweist und ein störungsfreies
Erfassen von Wegen mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht.
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Die
vorstehende Aufgabe wird bei einem Wegaufnehmer gemäß des Oberbegriffs
des unabhängigen
Anspruchs 1 mittels der Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wegaufnehmer aufweisend wenigstens
drei aktive Messelemente zum Aufbauen von jeweils einem elektrischen
Feld in Abhängigkeit
von einem Sendesignal, wenigstens ein passives Messelement zum Empfangen
eines Messsignals, wenigstens ein Koppelelement, welches relativ
zu den aktiven Messelementen bewegbar und ausgebildet ist, um eine
kapazitive Kopplung wenigstens eines von einem jeweiligen aktiven
Messelement aufgebauten elektrischen Feldes mit dem wenigstens einen
passiven Messelement zur Erzeugung des Messsignals zu bewirken,
sowie eine mit den wenigstens drei aktiven Messelementen und dem
wenigstens einen passiven Messelement verbundene Messschaltung zur
Erzeugung des Sendesignals und zur Bestimmung einer Position des wenigstens
einen Koppelelements relativ zu den aktiven Messelementen anhand
des von dem passiven Messelement empfangenen Messsignals.
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Erfindungsgemäß beaufschlagt
die Messschaltung die wenigstens drei aktiven Messelemente mit einem
jeweils phasenverschobenen Sendesignal und ermittelt die Messschaltung
die relative Position des wenigstens einen Koppelelements zu den
aktiven Messelementen durch Vergleich der Phasen der Sendesignale
mit der Phase des von dem passiven Messelement empfangenen Messsignals.
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Somit
beruht die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Wegaufnehmers nicht auf
einer Erfassung der Amplitude sondern der Phase des empfangenen
Signals.
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Die
Erfassung einer Phase eines Signals ist mit einer erheblich höheren Genauigkeit
als die Erfassung einer Amplitude eines Signals möglich.
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Aufgrund
der Verwendung von wenigstens drei aktiven Messelementen, die von
der Messschaltung mit einem jeweils phasenverschobenen Sendesignal
beaufschlagt wer den, erlaubt der erfindungsgemäße Wegaufnehmer zudem das Feststellen
einer Richtung der Relativbewegung zwischen den aktiven Messelementen
und dem Koppelelement.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform sind
in k Teilbereichen des Messbereiches jeweils n aktive Messelemente
angeordnet, wobei die Messschaltung benachbarte aktive Messelemente
eines jeden Teilbereichs mit einem um jeweils 360°/n phasenverschobenen
Sendesignal beaufschlagt, und k eine ganze natürliche Zahlen größer Null
und n eine ganze natürliche
Zahlen größer Zwei
ist.
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Eine
derartige Anordnung erlaubt die Anordnung der aktiven Messelemente über einen
beliebig großen
Messbereich.
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Die
Beaufschlagung der aktiven Messelemente eines jeden Teilbereichs
mit einem um jeweils 360°/n
phasenverschobenen Sendesignals führt dazu, dass die Abstrahlung
eines jeweiligen Teilbereichs in der Summe Null ergibt. Damit können Störeinflüsse durch
den erfindungsgemäßen Wegaufnehmer
auf andere Messeinrichtungen vermieden werden.
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Vorzugsweise
sind dann k parallel geschaltete Koppelelemente vorgesehen, wobei
die Anordnung benachbarter Koppelelemente der Anordnung von mit
einem gleichen Sendesignal beaufschlagten aktiven Messelementen
benachbarter Teilbereiche entspricht.
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Sind
mehrere mit einem gleichen Eingangssignal beaufschlagte aktive Messelemente
in verschiedenen Teilbereichen des Messbereiches angeordnet und
mehrere entsprechend angeordnete Koppelelemente vorgesehen, so führt dies
zu einer Verstärkung
des durch die Koppelelemente von den aktiven Messelementen an das
wenigstens eine passive Element übertragenen
Messsignals, wodurch die Auswertung des Messsignals vereinfacht
und so die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Wegaufnehmers weiter erhöht wird.
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Gemäß einer
besonderes bevorzugten Ausführungsform
sind in k Teilbereichen des Messbereiches jeweils 4 aktive Messelemente
angeordnet, wobei die Messschaltung benachbarte aktive Messelemente
eines jeden Teilbereichs mit einem um jeweils 90° phasenverschobenen Sendesignal
beaufschlagt, und k eine ganze natürliche Zahlen größer Null
ist.
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Die
Erzeugung von um jeweils 90° phasenverschobenen
Sendesignalen ist besonders einfach möglich, da es ausreichend ist,
zwei Phasen zu generieren und zwei zu diesen Phasen inverse Phasen zu
bilden. Dies vereinfacht den Aufbau der Messschaltung des erfindungsgemäßen Wegaufnehmers erheblich.
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Aus
der vorstehend beschriebenen Verwendung inverser Phasen wird deutlich,
dass das von dem erfindungsgemäßen Wegaufnehmer
ausgestrahlte elektrische Feld in diesem Fall insgesamt gleich Null
ist.
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Vorzugsweise
sind dann 2k Koppelelemente vorgesehen, wobei die Anordnung benachbarter Koppelelemente
der Anordnung von mit einem um 180° phasenverschobenen Sendesignal
beaufschlagten aktiven Messelementen entspricht und jeweils benachbart
angeordnete Koppelelemente eine kapazitive Kopplung mit unterschiedlichen
passiven Messelement bewirken.
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Diese
Anordnung der Koppelelemente führt dazu,
dass von benachbarten Koppelelementen jeweils auf inverse Sendesignale
zurückzuführende Messsignale
auf unterschiedliche passive Messelemente übertragen werden. Hierdurch
ist es mittels der erfindungsgemäßen Messschaltung
durch Differenzbildung der durch benachbarte Koppelelemente empfangenen
Messsignale auf besonders einfache Weise möglich, Störeinflüsse zu eliminieren.
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Bevorzugt
sind die wenigstens drei aktiven Messelemente und das wenigstens
eine passive Messelement in einer ersten Ebene angeordnet, und ist
das wenigstens eine Koppelelement in einer zweiten, zu der ersten
Ebene parallelen Ebene angeordnet.
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Eine
derartige Anordnung von aktiven bzw. passivem Messelement und dem
wenigstens einen Koppelelement führt
dazu, dass die Relativbewegung zwischen den aktiven Messelementen
und dem wenigstens einen Koppelelement im Wesentlichen senkrecht
zu den von den aktiven Messelementen aufgebauten elektrischen Feldern
erfolgt.
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Es
ist vorteilhaft wenn die wenigstens drei aktiven Messelemente in
konstantem Abstand zueinander in einer Reihe angeordnet sind und
das wenigstens eine passive Messelement durchgehend entlang der
Reihe von aktiven Messelementen ausgebildet ist.
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Bevorzugt
weist das wenigstens eine Koppelelement eine Fläche auf, die wenigstens der
doppelten Fläche
eines aktiven Messelements entspricht.
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Eine
derartige Fläche
erlaubt eine Kopplung des von den aktiven Messelementen ausgegebenen Sendesignals
an das wenigstens eine passive Messelement mit hohem Wirkungsgrad
und hoher Genauigkeit.
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Besonders
vorteilhaft ist es jedoch, wenn dass das wenigstens eine Koppelelement
eine Fläche
aufweist, die der Fläche
des wenigstens einen passiven Messelements zuzüglich der Fläche von
k aktiven Messelementen entspricht, wobei k eine ganze natürliche Zahl
größer Null
ist.
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Weist
das Koppelelement eine Fläche
auf, die der Fläche
des passiven Messelements entspricht, so weist die kapazitive Kopplung
zwischen Koppelelement und passivem Messelement einen besonders
hohen Wirkungsgrad auf.
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Um
lineare Bewegungen eines zu vermessenden Gegenstandes mittels des
erfindungsgemäßen Wegaufnehmers
präzise
erfassen zu können, sind
die wenigstens drei aktiven Messelemente und das wenigstens eine
passive Messelement bevorzugt entlang zueinander paralleler Geraden
angeordnet.
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Sollen
hingegen Winkel oder Schwenk- bzw. Drehbewegungen eines zu vermessenden
Gegenstandes erfasst werden, ist es vorteilhaft, wenn die wenigstens
drei aktiven Messelemente und das wenigstens eine passive Messelement
entlang von Kreislinien mit dem gleichen Mittelpunkt angeordnet sind.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die wenigstens drei aktiven Messelemente
und das wenigstens eine passive Messelement ortsfest und ist das
wenigstens eine Koppelelement bewegbar.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform sind
die wenigstens drei aktiven Messelemente und das wenigstens eine
passive Messelement bewegbar und ist das wenigstens eine Koppelelement
ortsfest.
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Da
der erfindungsgemäße Wegaufnehmer einen
besonders einfachen, stromsparenden und kostengünstigen Aufbau aufweist und
ein störungsfreies
Erfassen von Wegen mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht eignet
er sich besonders für
Wegaufnehmer im Automobilbau.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Figuren
anhand von Beispielen näher
erläutert.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleich Elemente.
Dabei zeigt
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1A schematisch
eine erste bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wegaufnehmers;
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1B schematisch
eine Schnittansicht durch den erfindungsgemäßen Wegaufnehmer aus 1A entlang
der Schnittlinie S;
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1C schematisch
den Phasenverlauf der Sendesignale und des Messsignals des erfindungsgemäßen Wegaufnehmer
aus 1A;
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2A schematisch
die aktiven und passiven Messelemente eines erfindungsgemäßen Wegaufnehmers
gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform;
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2B schematisch
die zweite bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wegaufnehmers;
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2C schematisch
eine Schnittansicht durch den erfindungsgemäßen Wegaufnehmer aus 2B entlang
der Schnittlinie S;
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2D schematisch
den Phasenverlauf der Sendesignale und des Messsignals des erfindungsgemäßen Wegaufnehmer
aus 2B;
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3 schematisch
eine dritte bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wegaufnehmers;
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4 ein
Blockdiagramm einer Messschaltung, wie sie in dem erfindungsgemäßen Wegaufnehmer
Verwendung finden kann; und
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5 einen
Wegaufnehmer nach dem Stand der Technik.
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1A zeigt
schematisch eine erste besonders bevorzugte Ausbildungsform des
erfindungsgemäßen Wegaufnehmers 1.
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Gemäß dieser
ersten bevorzugten Ausführungsform
weist der erfindungsgemäße Wegaufnehmer 1 k-Teilbereiche
T1, T2, TK auf, die über
den gesamten Messbereich des Wegaufnehmers 1 verteilt sind.
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In
jedem Teilbereich T1, T2, TK sind jeweils drei aktive Messelemente 211, 221, 231, 212, 222, 232,
..., 21k, 22k, 23k angeordnet.
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Die
aktiven Messelemente 211, 221, 231, 212, 222, 232,
..., 21k, 22k, 23k sind über Anschlussleitungen 71, 72 und 73 mit
einer Messschaltung 9 verbunden und dienen zum Aufbau von
jeweils einem elektrischen Feld in Abhängigkeit von einem von der Messschaltung 9 empfangenen
Sendesignals S1, S2 und S3.
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Gemäß dieser
ersten bevorzugten Ausführungsform
beaufschlagt die Messschaltung benachbarte aktive Messelemente 211, 221, 231, 212, 222, 232,
..., 21k, 22k, 23k eines jeden Teilbereiches
T1, T2, TK mit einem um jeweils 120° phasenverschobenen sinusförmigen Sendesignal
S1, S2 und S3.
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Es
ist offensichtlich, dass anstelle eines sinusförmigen Sendesignals auch ein
cosinusförmiges Sendesignal
oder ein beliebiges anderes periodisches Sendesignal verwendet werden
kann.
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Weiter
weist die zuvor gezeigte erste besonders bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wegaufnehmers 1 ein
passives Messelement 31 zum Empfang eines Messsignals M
auf. Das passive Messelement 31 ist über eine Anschlussleitung 70 mit
der Messschaltung 9 verbunden.
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Weiter
ist in jedem der k-Teilbereiche T1, T2, TK jeweils ein Koppelelement 411, 412,
..., 41k vorgesehen, welches relativ zu den aktiven Messelementen 211, 221, 231, 212, 222, 232,
..., 21k, 22k, 23k bewegbar ist.
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Die
Koppelelemente 411, 412, ..., 41k sind so
ausgebildet und angeordnet, dass sie zumindest teilweise wenigstens
ein aktives Messelement 211, 221 bzw. 212, 222 bzw. 21k, 22k und
zumindest teilweise das passive Messelement 31 überlappen.
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Hierdurch
bewirken die Koppelelemente 411, 412, ..., 41k durch
Serienschaltung eines ersten, zwischen dem jeweiligen Koppelelement 411, 412,
..., 41k und dem wenigstens einen jeweils darunterliegenden
aktiven Messelement 211, 221 bzw. 212, 222 bzw. 21k, 22k gebildeten
ersten Kondensators und eines zwischen dem jeweiligen Koppelelement 411, 412,
..., 41k und einem Bereich des darunterliegenden passiven
Messelements 31 gebildeten zweiten Kondensators eine kapazitive
Kopplung wenigstens eines von einem jeweiligen aktiven Messelement 211, 221 bzw. 212, 222 bzw. 21k, 22k aufgebauten elektrischen
Feldes mit dem wenigstens einen passiven Messelement 31 zur
Erzeugung des Messsignals M in dem passiven Messelement 31.
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Somit
sind gemäß der in 1A gezeigten ersten
besonders bevorzugten Ausführungsform
k parallel geschaltete Koppelelemente 411, 412,
..., 41k vorgesehen.
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Dabei
entspricht die Anordnung benachbarter Koppelelemente 411, 412,
..., 41k der Anordnung von mit einem gleichen Sendesignal
S1, S2, S3 beaufschlagten aktiven Messelementen 211, 212, 21k bzw. 221, 222, 22k bzw. 231, 232, 23k benachbarter Teilbereiche
T1, T2.
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Die über die
Anschlussleitungen 70, 71, 72 und 73 mit
den aktiven Messelementen 211, 221, 231, 212, 222, 232,
..., 21k, 22k, 23k und dem wenigstens
einen passiven Messelement 31 verbundene Messschaltungen 9 ist
ausgebildet, drei um jeweils 120° phasenverschobene
Sendesignale S1, S2 und S3 zu erzeigen und über die Anschlußleitungen 71, 72, 73 an
die aktiven Messelemente 211, 221, 231, 212, 222, 232,
..., 21k, 22k, 23k auszugeben.
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Weiter
ist die Messschaltung 9 so ausgebildet, die relative Position
der Koppelelemente 411, 412, ..., 41k zu
den aktiven Messelementen 211, 221, 231, 212, 222, 232,
..., 21k, 22k, 23k anhand des von dem
passiven Messelement 31 empfangenen und über die
Anschlußleitung 70 an
die Messschaltung 9 ausgegebenen Messsignals M zu ermitteln.
Zur Ermittlung der relativen Position vergleicht die Messschaltung 9 die
Phasen der Sendesignale S1, S2 und S3 mit der Phase des von dem
passiven Messelement 31 empfangenen Messsignals M.
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Wie
aus 1A hervorgeht, sind die aktiven Messelemente 211, 221, 231, 212, 222, 232,
..., 21k, 22k, 23k in konstantem Abstand
zueinander in einer Reihe angeordnet. Dabei ist der Abstand benachbarter
Messelemente zueinander vorzugsweise möglichst klein.
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Das
eine passive Messelement 31 ist in 1A durchgehend
entlang der Reihe von aktiven Messelementen ausgebildet.
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Somit
sind in 1A die aktiven Messelemente 211, 221, 231, 212, 222, 232,
..., 21k, 22k, 23k und das eine passive
Messelement 31 entlang zueinander paralleler Geraden angeordnet.
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Wie
ersichtlich weisen die Koppelelemente 411, 412, 41k jeweils
im Wesentlichen eine Fläche auf,
die in etwa der doppelten Fläche
eines aktiven Messelements 211, 221, 231, 212, 222, 232,
..., 21k, 22k, 23k entspricht.
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1B zeigt
schematisch eine Schnittansicht durch den erfindungsgemäßen Wegaufnehmers 1 aus 1A entlang
der Schnittlinie S.
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Wie
aus 1B ersichtlich, handelt es sich gemäß dieser
ersten bevorzugten Ausführungsform bei
dem passiven Messelement 31 um einen ersten elektrischen
Leiter und bei den aktiven Messelementen 211, 221, 231, 212, 222, 232,
..., 21k, 22k, 23k um weitere elektrische
Leiter, die von einer ersten Leiterplatte 5 getragen werden.
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Auf
einer den aktiven Messelementen 211, 221, 231, 212, 222, 232,
..., 21k, 22k, 23k abgewandten Seite
der Leiterplatte 5 sind die Anschlußleitungen 71, 72 und 73 für die aktiven
Messelemente 211, 221, 231, 212, 222, 232,
..., 21k, 22k, 23k in Form weiterer elektrischer
Leiter vorgesehen. Die Anschlußleitungen 71, 72 und 73 sind
durch entsprechende, in 1B nicht
gezeigte Durchkontaktierungen mit den jeweiligen aktiven Messelementen 211, 221, 231, 212, 222, 232,
..., 21k, 22k, 23k verbunden.
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Auf
einer zweiten, zur ersten Leiterplatte 5 parallelen Leiterplatte 6 sind
die Kopplungselemente 411, 412, 41k in
Form von weiteren elektrischen Leitern vorgesehen.
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Auch
wenn gemäß 1B die
aktiven und passiven Messelemente sowie die Kopplungselemente von
Leiterplatten 5, 6 getragen werden, kann es sich
alternativ bei den Leiterplatten 5, 6 auch um Glas-
oder Porzellanplatten oder um andere formstabile Nichtleiter handeln.
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Somit
erlaubt der in 1A und 1B gezeigte
erfindungsgemäße Wegaufnehmer 1 das
Erfassen einer Relativbewegung der zweiten Leiterplatte 6 zu
der ersten Leiterplatte 5.
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In 1C ist
schematisch der Phasenverlauf der Sendesignale S1, S2, S3 und des
Messsignals M des erfindungsgemäßen Wegaufnehmers
aus 1A gezeigt.
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Wie
aus 1C ersichtlich, sind die Sendesignale S1, S2,
S3 jeweils um 120° phasenverschobene
Sinusschwingungen.
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Da
sich die Koppelelemente 411, 412, ..., 41k in 1A gerade
in einer Stellung befinden, in der sie jeweils zu gleichen Teilen
mit den aktiven Messelementen 211, 221 bzw. 212, 222 bzw. 21k, 22k überlappen,
ergibt sich, das durch die Koppelelemente 411, 412,
..., 41k auf das passive Messelement 31 übertragene
Messsignal M durch als Addition der in 1C gezeigten
Signale S1 und S2.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 2A, 2B, 2C und 2D eine
zweite bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wegaufnehmers
beschrieben.
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Der
erfindungsgemäße Wegaufnehmer 1' gemäß dieser
zweiten bevorzugten Ausführungsform unterscheidet
sich von der vorstehenden beschriebenen ersten bevorzugten Ausführungsform
insbesondere dadurch, dass in den k-Teilbereichen T1, T2, ..., TK
des Messbereichs jeweils vier aktive Messelemente 211, 221, 231, 241, 212, 222, 232, 242,
..., 21k, 22k, 23k, 24k angeordnet
sind.
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Dabei
zeigt 2A schematisch die auf einer
ersten Ebene angeordneten aktiven und passiven Messelemente des
erfindungsgemäßen Wegaufnehmers 1', wobei auf
die Darstellung der Koppelelemente verzichtet wurde.
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Wie
aus 2A hervorgeht, sind die aktiven Messelemente 211, 221, 231, 241, 212, 222, 232, 242,
..., 21k, 22k, 23k, 24k über Anschlußleitungen 71, 72, 73 und 74 mit
der Messschaltung 9 verbunden.
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Weiter
sind gemäß 2A zwei
passive Messelemente 31 und 32 vorgesehen, die über Anschußleitungen 70 bzw. 70' mit der Messschaltung 9 verbunden
sind.
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Gemäß dieser
zweiten bevorzugten Ausführungsform
ist die Messschaltung ausgebildet, benachbarte aktive Messelemente 211, 221, 231, 241, 212, 222, 232, 242,
..., 21k, 22k, 23k, 24k eines
jeden Teilbereiches T1, T2, ..., TK mit einem um jeweils 90° phasenverschobenen
Sendesignal S1, S2, S3, S4 zu beaufschlagen.
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Der
Phasenverlauf, der von der Messschaltung 9 erzeugten Sendesignale
S1, S2, S3 und S4 ist in 2D schematisch
gezeigt.
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In 2B sind
schematisch die beiden Koppelelemente 41 und 42 gezeigt,
die gemäß dieser zweiten
besonders bevorzugten Ausführungsform Verwendung
finden.
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Wie
aus 2B hervorgeht, sind die Koppelelemente 41 und 42 kammartig
ausgebildet. Die kammartig ausgebildeten Koppelelemente 41 und 42 bestehen
im wesentlichen aus einer ersten Fläche, die der Fläche der
jeweils darunter angeordneten passiven Messelemente 31, 32 entspricht
und jeweils aus k zweiten Flächen 421, 422,
..., 42k bzw. 411, 412, ..., 41k.
Die Fläche
der zweiten Flächen 411, 412,
..., 41k, 421, 422, ..., 42k entspricht
jeweils im wesentlichen der Fläche
darunterliegenden aktiven Messelements 211, 231.
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Somit
sind 2k zweite Flächen 411, 421, 412, 422,
..., 41k, 42k für die Koppelelemente vorgesehen.
Die Anordnung benachbarter zweiter Flächen 411, 421, 412, 422,
..., 41k, 42k entspricht dabei der Anordnung von
mit einem um 180° phasenverschobenen
Sendesignal S1, S3 beaufschlagten aktiven Messelementen 211, 231,
..., 21k, 23k.
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Weiter
sind und jeweils nicht benachbart angeordnete Koppelelemente 411, 412, 41k bzw. 421, 422, 42k parallel
geschaltet. Folglich bewirken jeweils benachbart angeordnete Koppelelemente 411, 421, 412, 422,
..., 41k, 42k eine kapazitive Kopplung mit unterschiedlichen
passiven Messelement 31, 32.
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Diese
großflächige Ausbildung
der Koppelelemente führt
dazu, dass die Übertragung
des von den aktiven Messelementen 211, 221, 231, 241, 212, 222, 232, 242,
..., 21k, 22k, 23k und 24k ausgegebenen
Sendesignals S1, S2, S3, S4 durch die Koppelelemente 41 und 42 auf
die passiven Messelemente 31, 32 mit einem besonders
hohen Wirkungsgrad erfolgt.
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2C zeigt
schematisch eine Schnittansicht durch den erfindungsgemäßen Wegaufnehmer 1' aus 2B entlang
der Schnittlinie S.
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Wie
aus 2C ersichtlich, sind die passiven Messelemente 31 und 32 sowie
die aktiven Messelemente 211, 221, 231, 241, 212, 222, 232, 242,
..., 21k, 22k, 23k 24k in diesem
Beispiel als Leiterbahnen ausgebildet, die von einem elektrischen
Nichtleiter 5 in einer ersten Ebene getragen werden.
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Der
elektrische Nichtleiter 5 trägt weiter die Anschlußleitungen 71, 72, 73 und 74 zum
Kontaktieren der aktiven Messelemente 211, 221, 231, 241, 212, 222, 232, 242,
..., 21k, 22k, 23k 24k.
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Wie
aus 2C ersichtlich, ist in dieser Schnittansicht das
aktive Messelement 231 mittels einer Durchkontaktierung 8 mit
der Anschlußleitung 73 verbunden.
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Ein
in einer zweiten, zur ersten Ebene parallelen Ebene angeordneter
zweiter Nichtleiter 6 trägt das als Leiterbahn ausgebildete
erste und zweite Koppelelement 41, 42.
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Da
gemäß 2B die
Koppelelemente 41, 42 jeweils nur ein aktives
Messelement 211, ..., 21k bzw. 231, ..., 23k überlappen,
ergeben sich die von den Koppelelementen 41 bzw. 42 auf
die passiven Messelemente 31 bzw. 32 übertragenen
Messsignale M1 bzw. M2 wie in 2D gezeigt
jeweils gleich den Sendesignalen S1 bzw. S3 der darunterliegenden
aktiven Messelemente 211, ..., 21k bzw. 231,
..., 23k.
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In 3 ist
schematisch eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wegaufnehmers 1'' gezeigt.
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Diese
dritte bevorzugte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Wegaufnehmers 1'' unterscheidet sich von den vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen
insbesondere dadurch, dass die aktiven Messelemente 211, 221, 231, 241, 212, 222, 232, 242,
..., 21k, 22k, 23k 24k und die
beiden passiven Messelemente 31, 32 entlang von
Kreislinien mit dem gleichen Mittelpunkt M in einer ersten Ebene angeordnet
sind.
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Die
2k Koppelelemente 411, 421, 412, 422, ..., 41k, 42k sind
entsprechend entlang einer Kreisbahn mit gleichem Mittelpunkt M
in einer zweiten zu der ersten Ebene parallelen Ebene angeordnet.
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Somit
eignet sich der erfindungsgemäße Wegaufnehmer 1'' gemäß der dritten besonders bevorzugten
Ausführungsform
insbesondere zur Erfassung von Winkeln und Drehbewegungen.
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Auch
wenn gemäß der vorstehend
beschriebenen ersten, zweiten bzw. dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wegaufnehmers 1, 1', 1'' in den Teilbereichen T1, T2, ...
TK jeweils drei bzw. vier aktive Messelemente angeordnet sind, wobei
die Messschaltung benachbarte aktive Messelemente eines jeden Teilbereiches
mit einem um jeweils 360° /
3 = 120° bzw.
360° / 4
= 90° phasenverschobenen Sendesignal
beaufschlagt, ist es allgemein möglich, in
den k-Teilbereichen jeweils n-aktive Messelemente vorzusehen, die
von der Messschaltung 9 mit einem um jeweils 360°/n phasenverschobenen
Sendesignal beaufschlagt werden. Dabei ist n eine ganze natürliche Zahl
größer zwei.
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Gemäß der vorstehend
gezeigten ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsform sind die aktiven
Messelemente und das wenigstens eine passive Messelement ortsfest
und die Koppelelemente bewegbar.
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Gemäß der vorstehend
gezeigten dritten bevorzugten Ausführungsform sind die aktiven
Messelemente und die beiden passiven Messelemente bewegbar und die
Koppelelemente ortsfest.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 4 ein Blockdiagramm
einer Messschaltung beschrieben, wie sie in dem erfindungsgemäßen Wegaufnehmer 1' bzw. 1'' gemäß der zweiten bzw. dritten
bevorzugten Ausführungsform
Verwendung finden kann.
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Die
in 4 gezeigte Messschaltung 9 weist einen
Taktgeber 41 zur Erzeugung eines Taktes auf. Der Takt wird
an einen Teiler 42 und einen Phasen-Komparator 43 ausgegeben.
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Der
Teiler 42 gibt den Takt so phasenverschoben an die Sinus-Generatoren 44, 45, 46 und 47 aus,
dass die Sinus-Generatoren 44, 45, 46 und 47 jeweils
um 90° phasenverschobene
Sinusschwingungen S1, S2, S3, S4 erzeugen.
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Die
Sinus-Generatoren 44, 45, 46 und 47 sind über die
Anschlußleitungen 71, 72, 73 und 74 mit
zugeordneten aktiven Messelementen 211, 221, 231, 241, 212, 222, 232, 242,
..., 21k, 22k, 23k, 24k verbunden.
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Somit
sind die Sinus-Generatoren 44, 45, 46 und 47 in
Verbindung mit dem Taktgeber 41 und dem Teiler 42 ausgebildet,
benachbarte aktive Messelemente 211, 221, 231, 241, 212, 222, 232, 242,
..., 21k, 22k, 23k, 24k mit
einem um jeweils 90° phasenverschobenen
Messsignal zu beaufschlagen.
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Die
aktiven Messelemente 211, 221, 231, 241, 212, 222, 232, 242,
..., 21k, 22k, 23k und 24k bauen
in Abhängigkeit
von den über
die Anschlußleitungen 71, 72, 73, 74 empfangenen
Sendesignalen S1, S2, S3, S4 jeweils elektrische Felder auf.
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Durch
kapazitive Kopplung mit in 4 nicht gezeigten
Koppelelementen wird in Folge des von den aktiven Messelementen 211, 221, 231, 241, 212, 222, 232, 242, 21k, 22k, 23k und 24k erzeugten
elektrischen Feldes in den passiven Messelementen 31 und 32 ein
erstes und zweites Messsignal M1, M2 erzeugt.
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Weiter
weist die in 4 gezeigte Messschaltung 9 zwei
Bandfilter 48 und 49 auf, die jeweils über Anschlußleitungen 70 bzw. 70' mit den passiven Messelementen 31, 32 verbunden
sind.
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Das
in den passiven Messelementen 31 und 32 erzeugte
Messsignal M1, M2 wird über
die Anschlußleitungen 70 bzw. 70' an die Bandfilter 48 bzw. 49 ausgegeben.
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Die
Bandfilter 48 bzw. 49 filtern das über die Anschlussleitungen 70 bzw. 71 von
den passiven Messelementen 31 bzw. 32 empfangene
Messsignal M1 bzw. M2 und sind mit einem Differenzierer 50 verbunden.
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Der
Differenzierer 50 subtrahiert die von den passiven Messelementen 31 und 32 empfangene Messsignale
M1 und M2 voneinander, um ein Nutzsignal zu erhalten.
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Dieses
Nutzsignal wird von dem Differenzierer 50 an den Phasen-Komparator 43 ausgegeben.
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Der
Phasen-Komparator 43 vergleicht den von dem Taktgeber 41 erhaltenen
Takt mit dem von dem Differenzierer 50 ausgegebenen Nutzsignal
zur Bestimmung einer Relativposition der in 4 nicht gezeigten
Koppelelemente zu den aktiven Messelementen 211, 221, 231, 241, 212, 222, 232, 242,
..., 21k, 22k, 23k und 24k anhand
der Phase des Nutzsignals und des zugehörigen Taktes und gibt ein entsprechendes
Signal an eine Ausgangsschaltung 51 aus.
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Vorzugsweise
sind die einzelnen Elemente der in 4 gezeigten
Messschaltung in Form von integrierten Schaltungen ausgebildet.
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Zusammenfassend
beruht die Funktionsweise des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Wegaufnehmers 1 nicht
auf einer Erfassung der Amplitude eines Messsignals sondern auf
einem Vergleich der Phase des empfangenen Messsignals mit der Phase
eines jeweiligen Sendesignals.
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Die
Erfassung einer Phase eines Signals ist mit einer erheblich höheren Genauigkeit
als die Erfassung einer Amplitude eines Signals möglich.
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Aufgrund
der Verwendung von wenigstens drei aktiven Messelementen, die von
der Messschaltung mit einem jeweils phasenverschobenen Sendesignal
beaufschlagt werden, erlaubt der erfindungsgemäße Wegaufnehmer zudem das Feststellen
einer Rich tung der Relativbewegung zwischen den aktiven Messelementen
und dem Koppelelement.