DE102011106940A1 - Positionsmesseinrichtung mit Randkompensation - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung (10) umfassend eine Maßverkörperung (20) und eine Abtasteinrichtung (30), wobei die Abtasteinrichtung (30) gegenüber der Maßverkörperung (20) in Messrichtung (11) beweglich ist, wobei die Abtasteinrichtung (30) eine Senderwindungsanordnung (40) aufweist, deren elektromagnetisches Feld von den Messmarkierungen (21) der Maßverkörperung (20) beeinflusst werden kann, wobei die Senderwindungsanordnung (40) mehrere entlang der Messrichtung (11) periodisch angeordnete, planare, sich nicht überlappende effektive Senderspulen (43) aufweist, wobei innerhalb wenigstens eines Teils der Senderspulen (43) je ein einziges planares Empfängerspulenpaar (Eij) angeordnet ist, welches jeweils zwei effektive Einzelspulen aufweist, die mit entgegen gesetzter Windungsrichtung in Reihe geschaltet sind, wobei sie in Messrichtung (11) mit einem Abstand von λ/2 versetzt angeordnet sind, wobei alle effektiven Einzelspulen mit Ausnahme der Windungsrichtung im Wesentlichen gleich ausgeführt sind. Erfindungsgemäß sind ein erstes Empfängerspulenpaar (E11 ), welches innerhalb der in Messrichtung (11) zuerst gelegenen Senderspule angeordnet ist, und ein letztes Empfängerspulenpaar (E13), welches innerhalb der in Messrichtung (11) zuletzt gelegenen Senderspule angeordnet ist, in Reihe geschaltet, wobei die Windungsrichtungen des ersten und des letzten Empfängerspulenpaares (E11, E13) und der ersten und der letzten Senderspule entweder beide gleich oder beide entgegengesetzt sind, wobei der Abstand (51) des ersten und des letzten Empfängerspulenpaares (E11, E13) ein ganzzahliges Vielfaches des Teilungsabstandes λ ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
• Aus der EP 1 164 358 B1 ist eine Positionsmesseinrichtung bekannt. Gemäß der 16 der EP 1 164 358 B1 umfasst die Positionsmesseinrichtung eine Maßverkörperung und eine Abtasteinrichtung. Die Maßverkörperung umfasst eine Vielzahl von untereinander gleichen Messmarkierungen, die entlang einer Messrichtung periodisch verteilt angeordnet sind, wobei sie einen Teilungsabstand λ aufweisen. Bei der Maßverkörperung kann es sich beispielsweise um ein Blechband handeln, wobei die Messmarkierungen von rechteckigen Durchbrüchen in dem Blechband gebildet werden.
• Die Abtasteinrichtung der EP 1 164 358 B1 ist in Messrichtung gegenüber der Maßverkörperung beweglich. Sie umfasst eine Senderwindungsanordnung, welche aus planaren, sich nicht überlappenden Spulen EK1, Es1, Ec1, ..., Esn, Ecn, Ek2 besteht, welche parallel zusammengeschaltet sind. Die Maßverkörperung beeinflusst dabei das elektromagnetische Feld der Senderwindungsanordnung derart, dass in die Empfängerspulenpaare S1–/S1+, ..., Cn+/Cn–1 elektrische Spannungen induziert werden, anhand derer auf die relative Stellung zwischen Maßverkörperung und Abtasteinrichtung geschlossen werden kann. Dabei handelt es sich um eine inkrementelle Positionsmesseinrichtung, d. h. es muss durch Zählen der Messmarkierungen ermittelt werden, an welcher Stelle der Maßverkörperung sich die Abtasteinrichtung befindet. Innerhalb des Teilungsabstandes λ kann die Position dagegen durch Interpolation absolut bestimmt werden.
• 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 DE 10 2009 042 940 oder der US 3 466 580 bekannt ist.
• In der 10 der EP 1 164 358 B1 ist das elektromagnetische Feld der Senderwindungsanordnung grobschematisch dargestellt. Hierbei ist zum Einen zu erkennen, dass zwei benachbarte Senderspulen eine entgegen gesetzte Windungsrichtung aufweisen. Weiter ist zu erkennen, dass die erste und die letzte Senderspule ein von den übrigen Senderspulen abweichendes elektromagnetisches Feld erzeugen. Dieser Effekt wird bei der Ausführungsform gemäß 16 der EP 1 164 358 B1 dadurch kompensiert, dass in den genannten äußeren Senderspulen EK1, EK2 keine Empfängerspulenpaare Si–/Si+ bzw. Ci–/C+ angeordnet sind, so dass alle Empfängerspulenpaare einem im Wesentlichen identischen Senderfeld ausgesetzt sind. Damit wird in allen Empfängerspulenpaaren der Sinus- und der Cosinus-Gruppe eine identische Spannung induziert, die durch die Reihenschaltung der Empfängerspulenpaare in einer Gruppe aufaddiert wird, so dass eine besonders starke Messspannung erzeugt wird.
• 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.
• 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.
• In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindungen angegeben.
• 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.
• Dies ist in der Regel nicht der Fall, wenn mehrere der aus der EP 1 164 358 B1 bekannten Einzelspulen parallel geschaltet werden. Die verschiedenen Einzelspulen besitzen aufgrund von Fertigungstoleranzen erheblich voneinander abweichende ohmsche Widerstände, so dass sie bei einer Parallelschaltung von deutlich unterschiedlichen Strömen durchflossen werden. Die eigentlich wünschenswerte Reihenschaltung der einzelnen Senderspulen kommt in der Regel nicht in Betracht, da der sich so ergebende Gesamtwiderstand der Senderwindungsanordnung zu groß wäre. Die vorgeschlagenen Paare von schlangenlinienförmigen Leiterbahnen können hingegen beliebig in Reihe oder parallel geschaltet werden, um den gewünschten Gesamtwiderstand einzustellen. Dies bleibt ohne Einfluss auf die gleichmäßige Stromverteilung in allen effektiven Senderspulen. Anzumerken ist noch, dass die vorgeschlagenen schlangenlinienförmigen Leiterbahnen auch bei den Empfängerspulenpaaren angewendet werden können, um deren Kompensationseffekt bezüglich äußerer Störfelder zu verbessern.
• 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.
• 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 EP 1 164 358 B1 ist der Fall m = n = 1 bekannt. Die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung arbeitet jedoch auch in Fällen, in denen m und n unterschiedlich sind. Als Beispiel sei n = 11 mit m = 6 genannt. Die Zahl m gibt darüber hinaus an, wie viele Gruppen von in Reihe geschalteten Empfängerspulenpaaren mindestens vorgesehen werden müssen. Soweit m ungerade ist, müssen mindestens m Gruppen von Empfängerspulenpaaren vorgesehen werden. Wenn m gerade ist, müssen mindestens m/2 Gruppen von Empfängerspulenpaaren vorgesehen werden. Im vorstehenden Beispiel sind also drei Gruppen erforderlich. Durch Auftrennung der Reihenschaltung einer Gruppe können selbstverständlich mehr Gruppen erzeugt werden, dies bringt jedoch keinen technischen Nutzen.
• 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.
• 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.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:
• 1 eine grobschematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
• 2 eine grobschematische Draufsicht der Senderwindungsanordnung der Positionsmesseinrichtung nach 1; und
• 3 eine grobschematische Draufsicht der Empfängerwindungsanordnung der Positionsmesseinrichtung nach 1.
• 1 zeigt eine grobschematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung 10. Die Positionsmesseinrichtung 10 umfasst eine Maßverkörperung 20 und eine Abtasteinrichtung 30. Die Maßverkörperung 20 besteht aus einer Vielzahl untereinander gleichen Messmarkierungen 21, welche mit einem konstanten Teilungsabstand λ periodisch entlang der Messrichtung 11 angeordnet sind. Die Maßverkörperung 20 kann beispielsweise von einem Metallband gebildet werden, das sich in Messrichtung 11 erstreckt, wobei die Messmarkierungen 21 von rechteckigen Durchbrüchen in dem Metallband definiert werden. Die Breite der Durchbrüche und die Breite der dazwischen liegenden Stege ist gleich groß und beträgt mithin λ/2. Weitere denkbare Ausführungsformen sind in der EP 1 164 358 B1 mit Bezug auf die dortige 2 erläutert.
• Die Abtasteinrichtung 30 ist in Messrichtung 11 gegenüber der Maßverkörperung 20 beweglich, wobei die Positionsmesseinrichtung 10 ein Abtastsignal U₁, U₂, U₃ ausgibt, anhand dessen die Relativposition der genannten Bauteile 20, 30 bestimmt werden kann. Die Maßverkörperung 20 ist dabei entgegen der Darstellung in 1 erheblich länger als die Abtasteinrichtung 30, damit die Positionsmesseinrichtung 10 einen genügend großen Messweg aufweist.
• An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass die 1 bis 3 bezüglich der Messrichtung 11 maßstäblich gezeichnet sind. Insbesondere ist die Stellung der verschiedenen effektiven Spulen S_ij, E_ij gegenüber den Messmarkierungen 21 entsprechend den tatsächlichen Verhältnissen dargestellt. Besonders hinzuweisen ist darauf, dass das erste Empfängerspulenpaar E₁₁ die gleiche Relativstellung gegenüber der zugeordneten Messmarkierungen 21 einnimmt wie das letzte Empfängerspulenpaar E₁₃. In der Richtung senkrecht zur Messrichtung 11 sind die Größenverhältnisse der Übersichtlichkeit halber stark übertrieben dargestellt. Die Maßverkörperung besitzt beispielsweise einen Teilungsabstand von 1,0 mm, wobei deren Dicke beispielsweise 0,3 mm beträgt. Die Dicke der verschiedenen planaren Leiterbahnanordnungen in der Abtasteinrichtung 30 beträgt beispielsweise 0,3 mm.
• In 1 ist der konstante Teilungsabstand der Abtasteinrichtung 30 nämlich der Abstand zweier Empfängerspulenpaare E_ij mit δ bezeichnet. Zwischen dem Teilungsabstand λ der Maßverkörperung 20 und dem Teilungsabstand δ der Abtasteinrichtung 30 gilt bei der Ausführungsform gemäß den 1 bis 3 die Beziehung 6 × δ = 11 × λ. Bei dieser Auswahl wird eine Abtasteinrichtung mit drei Gruppen von Empfängerspulenpaaren E_ij realisiert, wobei zwischen zwei benachbarten Empfängerspulenpaaren E_ij jeweils genügend Abstand für die Senderwindungsanordnung vorhanden ist, so dass sich die Sender- und die Empfängerwindungsanordnung 40; 50 nicht überlappen. Entsprechend dem obigen Zusammenhang zwischen den Teilungsabständen δ und λ sind drei Gruppen von Empfängerspulenpaare E_ij vorgesehen, deren Abtastsignale U₁, U₂, U₃ um 120° phasenversetzt sind.
• 2 zeigt eine grobschematische Draufsicht der Senderwindungsanordnung 40. Die Senderwindungsanordnung 40 besteht aus einer ersten und einer zweiten Gruppe 41; 42 von Leiterbahnen, wobei in 2 nur jeweils eine einzige Leiterbahn jeder Gruppe dargestellt ist. Tatsächlich umfasst jede Leiterbahngruppe 41; 42 eine Vielzahl von Leiterbahnen, die mit geringem Abstand parallel zueinander angeordnet sind. Die Leiterbahnen jeder Leiterbahngruppe 41; 42 verlaufen jeweils in Form einer Rechteck-Schlangenlinie, wobei sie sich derart kreuzen, dass sie eine Vielzahl von effektiven Senderspulen S_ij definieren. Entgegen der Darstellung in 2 verlaufen die Leiterbahnen im Kreuzungsbereich 43 genau parallel, so dass die effektiven Senderpulen S_ij jeweils genau die Form eines Rechtecks aufweisen. Die einzelnen effektiven Senderspulen S_ij sind dabei alle im Wesentlichen identisch ausgeführt, so dass sie alle das gleiche elektromagnetische Feld erzeugen. Dabei ist jede effektive Senderspule S_ij spiegelsymmetrisch zu einer zugeordneten Mittelachse 31 ausgeführt. Die Senderwindungsanordnung definiert damit ebenfalls den Teilungsabstand δ der Abtasteinrichtung 30. Die beiden Gruppen von Leiterbahnen 41; 42 sind jeweils in verschiedenen, voneinander elektrisch isolierten Schichten angeordnet, so dass im Kreuzungsbereich 31 keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Gruppen von Leiterbahnen 41; 42 besteht. Je eine Leiterbahn der ersten und der zweiten Gruppe sind über eine Durchkontaktierung 44 elektrisch leitend so miteinander verbunden, dass alle Leiterbahnen von einem einzigen Spannungsanschluss U_S mit Strom versorgt werden können. Die Senderwindungsanordnung 40 wird im Betrieb mit Wechselspannung versorgt, der beispielsweise eine Frequenz von 100 kHz aufweist. Die erforderliche Frequenz ergibt sich aus der maximalen Verfahrgeschwindigkeit der Positionsmesseinrichtung 10 und dem Teilungsabstand λ der Maßverkörperung 20.
• Die Stromrichtung der einzelnen effektiven Senderspulen S_ij ist in 2 durch kreisförmige Pfeile dargestellt. Hinzuweisen ist darauf, dass die vorliegende Leiterbahnanordnung zwangsläufig zur Folge hat, dass zwei benachbarte effektive Senderspulen S_ij jeweils die entgegen gesetzte Windungs- bzw. Stromrichtung aufweisen. Die Stromstärke und damit die Feldstärke jeder effektiven Senderspule S_ij kann mittels der Anzahl der parallelen Leiterbahn auf jeden beliebigen Wert eingestellt werden. In der Regel wird man dabei eine höchst mögliche Senderfeldstärke wählen. Man wird also den Bauraum zwischen den Empfängerspulenpaaren E_ij mit der höchst möglichen Anzahl an parallelen Leiterbahnen versehen, die technisch sicher herstellbar ist.
• 3 zeigt eine grobschematische Draufsicht der Empfängerwindungsanordnung 50. Die Empfängerwindungsanordnung 50 umfasst eine Vielzahl von Empfängerspulenpaaren E_ij. Jedes Empfängerspulenpaar E_ij besteht aus zwei komplementären Einzelspulen En_ij, Ep_ij, d. h. die Einzelspulen sind im Wesentlichen identisch ausgeführt, wobei sie eine entgegen gesetzte Windungsrichtung aufweisen. Die beiden Einzelspulen En_ij, Ep_ij besitzen die Form einer Rechteckspirale, wobei deren Anstand λ/2 beträgt. Die Rechteckspiralen weisen jeweils eine Vielzahl von Windungsumläufen auf, wobei in 3 nur jeweils ein einziger Windungsumlauf gezeigt ist. Die entgegen gesetzte Windungsrichtung der Einzelspulen En_ij, Ep_ij ist in 3 mit rechteckigen Pfeilen angegeben. in 1 kennzeichnet ein Minuszeichen eine Windungsrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn und ein Pluszeichen eine Windungsrichtung im Uhrzeigersinn. Bei der vorliegenden Ausführungsform weisen alle Empfängerspulenpaare die gleiche Windungsrichtung auf.
• Anzumerken ist, dass bei den Empfängerspulenpaaren E_ij ebenfalls die sich kreuzenden Gruppen von schlangenlinienartigen Leiterbahnen zum Einsatz kommen können, wie sie bei der Senderwindungsanordnung 40 Verwendung finden. Dies verspricht jedoch nur einen geringen technischen Vorteil, da die Empfängerspulenpaare problemlos in Reihe geschaltet werden können, um die gewünschte Summierung der Einzelspannungen zu erhalten. Die spiralförmigen Spulen sind demgegenüber zu bevorzugen, da in einer vorgegebenen Anzahl von Leiterbahnebenen eine maximale Anzahl an Windungsumläufen untergebracht werden kann.
• Die Empfängerspulenpaare E_ij 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 3 eingezeichneten Verbindungsleiterbahnen stellen die Verschaltung der Empfängerspulen im Sinne eines Schaltplans korrekt dar, wobei im Übrigen kein Bezug zum tatsächlichen Leiterbahnverlauf vorhanden ist. Die einzelnen Empfängerspulenpaare E_ij einer Gruppe besitzen jeweils die gleiche Relativstellung gegenüber der zugeordneten Messmarkierung 21 oder eine um 180° phasenverschobene Relativstellung. Der Abstand der Empfängerspulenpaare ist dementsprechend ein ganzzahliges Vielfaches des Teilungsabstandes λ bzw. von λ/2. Soweit eine Phasenverschiebung vorhanden ist, besitzt die zugeordnete effektive Senderwindungsanordnung S_ij einen umgekehrten Windungssinn, damit sich die in den Empfängerspulenpaaren induzierten Messspannungen aufaddieren und nicht auslöschen.
• 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 40 die Windungsrichtungen der einzelnen effektiven Senderspulen S_ij fest vorgegeben ist.
• Der Randeffekt, der durch die erfindungsgemäße Kompensationsanordnung ausgeglichen werden soll, kommt dadurch zustande, dass auf ein Empfängerspulenpaar nicht nur die direkt zugeordnete effektive Senderspule S_ij 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.
• Bei der vorliegenden Abtasteinrichtung 30 besitzen die Empfängerspulenpaare E₂₁, E₃₁, E₁₂, E₂₂, E₃₂ jeweils zur linken und zur rechten Seite eine unmittelbar benachbarte effektive Senderspule S_ij. Diese beiden benachbarten Senderspulen erzeugen zusammen ein elektromagnetisches Feld, das bezüglich der Mittelachse 31 des dazwischen angeordneten Empfängerspulenpaares E_ij symmetrisch ist. Damit führt die entgegen gesetzte Windungsrichtung der beiden Einzelspulen En_ij, Ep_ij eines Empfängerspulenpaares E_ij zur Auslöschung der durch die benachbarten Senderspulen induzierten Spannungen.
• 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 En_{11 ,} 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.
• Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, kommt es für den Kompensationseffekt entscheidend darauf an, dass alle effektiven Senderspulen S_ij das gleiche elektromagnetische Feld erzeugen. Deshalb kann der erfindungsgemäße Kompensationseffekt mit der aus der EP 1 164 358 B1 bekannten Senderwindungsanordnung 40 mit mehreren spiralförmigen Senderspulen in der Praxis nicht erzielt werden, da in den parallel geschalteten Senderspulen aufgrund deren toleranzbedingten unterschiedlichen ohmschen Widerständen deutlich unterschiedliche Ströme fließen. Die bekannten Senderspulen erzeugen also nicht alle das gleiche elektromagnetische Feld, so dass sich der Kompensationseffekt nicht einstellt. Die Kompensation wird in der Praxis also erst durch eine Senderwindungsanordnung gemäß Anspruch 2 möglich, bei der sichergestellt ist, dass in allen effektiven Senderspulen die gleichen Ströme fließen. Hierzu wird noch einmal auf die DE 10 2009 042 940 verwiesen, deren gesamter Inhalt in Bezug genommen und zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
• 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 40 eingespeiste Wechselspannung, wobei deren Amplitude von der Relativstellung zwischen Abtasteinrichtung 30 und Maßverkörperung 20 abhängt. Die vorliegende Positionsmesseinrichtung 10 arbeitet inkrementell, d. h. wenn die Abtasteinrichtung 30 um einen Teilungsabstand λ verschoben wird, werden die gleichen Messspannungen U₁, U₂, U₃ ausgegeben.
• Hinzuweisen ist außerdem darauf, dass die 1 bis 3 jeweils deckungsrichtig dargestellt sind. D. h. wenn man gedanklich die Empfängerwindungsanordnung 50 gemäß 3 über die Senderwindungsanordnung 40 gemäß 2 schiebt erhält man eine den tatsächlichen Verhältnissen entsprechende Abtasteinrichtung 30, bei der die Einzelspulen En_ij, Ep_ij der Empfängerwindungsanordnung 50 vollständig innerhalb der zugeordneten effektiven Senderspulen S_ij der Senderwindungsanordnung 40 angeordnet sind. Dieser Sachverhalt ist auch 1 zu entnehmen, bei der die senkrecht zur Messrichtung verlaufenden Abschnitte 43 der Senderwindungsanordnung 40 zwischen den Empfängerspulenpaaren E_ij angeordnet sind.
• Bezugszeichenliste

λ

Teilungsabstand der Maßverkörperung

δ

Teilungsabstand der Abtasteinrichtung

S_ij

effektive Senderspule

U_s

Spannungsanschluss der Senderwindungsanordnung

En_ij, Ep_ij

Einzelspule

E_ij

Empfängerspulenpaar, bestehend aus den Einzelspulen En_ij

U_i

Spannungsanschluss der Empfängerwindungsanordnung

10

Positionsmesseinrichtung

11

Messrichtung

20

Maßverkörperung

21

Messmarkierung

30

Abtasteinrichtung

31

Mittelachse eines Abtastelements

40

Senderwindungsanordnung

41

erste Gruppe von Leiterbahnen

42

zweite Gruppe von Leiterbahnen

43

senkrecht zur Messrichtung verlaufender Abschnitt; Kreuzungsbereich

44

Durchkontaktierung

50

Empfängerwindungsanordnung

51

Abstand des ersten und des letzten Empfängerspulenpaares

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 1164358 B1 [0002, 0002, 0003, 0005, 0005, 0010, 0012, 0019, 0032]
• DE 102009042940 [0004, 0032]
• US 3466580 [0004]

Claims (6)

1. Positionsmesseinrichtung (10) umfassend eine Maßverkörperung (20) und eine Abtasteinrichtung (30), wobei an der Maßverkörperung (20) entlang einer Messrichtung (11) periodisch angeordnete, untereinander gleiche Messmarkierungen (21) vorgesehen sind, die einen Teilungsabstand λ aufweisen, wobei die Abtasteinrichtung (30) gegenüber der Maßverkörperung (20) in Messrichtung (11) beweglich ist, wobei die Abtasteinrichtung (30) eine Senderwindungsanordnung (40) aufweist, deren elektromagnetisches Feld von den Messmarkierungen (21) der Maßverkörperung (20) beeinflusst werden kann, wobei die Senderwindungsanordnung (40) mehrere entlang der Messrichtung (11) periodisch angeordnete, planare, sich nicht überlappende effektive Senderspulen (S_ij) aufweist, wobei zwei unmittelbar benachbarte Senderspulen (S_ij) eine entgegen gesetzte Windungsrichtung aufweisen, wobei innerhalb wenigstens eines Teils der Senderspulen (S_ij) je ein einziges planares Empfängerspulenpaar (E_ij) angeordnet ist, welches jeweils zwei effektive Einzelspulen (En_ij, Ep_ij) aufweist, die mit entgegen gesetzter Windungsrichtung in Reihe geschaltet sind, wobei sie in Messrichtung (11) mit einem Abstand von λ/2 versetzt angeordnet sind, wobei alle effektiven Einzelspulen (En_ij, Ep_ij) mit Ausnahme der Windungsrichtung im Wesentlichen gleich ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Empfängerspulenpaar (E₁₁), welches innerhalb der in Messrichtung (11) zuerst gelegenen Senderspule (S₁₁) angeordnet ist, und ein letztes Empfängerspulenpaar (E₁₃), welches innerhalb der in Messrichtung (11) zuletzt gelegenen Senderspule (S₁₃) angeordnet ist, in Reihe geschaltet sind, wobei die Windungsrichtungen des ersten und des letzten Empfängerspulenpaares (E₁₁, E₁₃) und der ersten und der letzten Senderspule (S₁₁, S₁₃) entweder beide gleich oder beide entgegengesetzt sind, wobei der Abstand (51) des ersten und des letzten Empfängerspulenpaares (E₁₁, E₁₃) ein ganzzahliges Vielfaches des Teilungsabstandes λ ist.
2. Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Senderwindungsanordnung (40) und/oder die Empfängerspulenpaare (E_ij) je eine erste und eine zweite Gruppe (41; 42) von Leiterbahnen aufweist, deren Enden elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die Leiterbahnen einer Gruppe (41; 42) jeweils schlangenlinienartig mit geringem Abstand parallel zueinander verlaufen, wobei sich die Leiterbahnen der beiden Gruppen (41; 42) derart kreuzen, dass sie mehrere effektive Spulen (S_ij) definieren.
3. Positionsmesseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gruppen von in Reihe geschalteten Empfängerspulenpaaren (E₁₁, E₁₂, E₁₃, bzw. E₂₁, E₂₂, bzw. E₃₁, E₃₂) vorgesehen sind, wobei die Gruppe mit dem ersten und dem letzten Empfängerspulenpaar (E₁₁, E₁₃) ein Empfängerspulenpaar mehr aufweist als die übrigen Gruppen von Empfängerspulenpaaren, wobei innerhalb aller effektiver Senderspulen (S_ij) ein Empfängerspulenpaar (E_ij) angeordnet ist.
4. Positionsmesseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Teilungsabstand δ der Senderwindungsanordnung 40 die Beziehung n × λ = m × δ gilt, wobei n und m beliebig positive ganze Zahlen sind.
5. Positionsmesseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je eine effektive Senderspule (S_ij) mit dem zugeordneten effektiven Empfängerspulenpaar (E_ij) ein Abtastelement definiert, wobei alle Abtastelemente mit Ausnahme der Windungsrichtung im Wesentlichen identisch ausgeführt sind.
6. Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass alle Abtastelemente im Wesentlichen symmetrisch bezüglich einer Mittelachse (31) ausgeführt sind.

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