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Die vorliegende Erfindung betrifft eine absolute Positionsmessvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen.
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Stand der Technik
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Induktive Sensoriken arbeiten häufig nach dem Übertragerprinzip. Dabei erzeugt eine bestromte Erregerstruktur ein magnetisches Wechselfeld, das von einer (i.d.R. galvanisch getrennten) Empfängerstruktur erfasst werden kann. Wird von außen Einfluss auf die Verteilung des magnetischen Feldes genommen – z.B. durch Anwesenheit von magnetisch oder elektrisch leitfähigen Materialien – so wirkt sich dies nach dem Induktionsgesetz auf die messbare Spannung der Empfängerspule aus. Mit diesem Prinzip wird eine berührungslose induktive Messung möglich.
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Die induktive Messung ist zunächst prinzipbedingt stark offsetbehaftet. Als Nutzsignal kann nämlich nur der Signalanteil bezeichnet werden, um den das empfangene Signal – durch die äußeren Einflüsse moduliert – schwankt. Typischerweise liegt der Anteil des Nutzsignals bei nur etwa 1 ‰ bis max. 10% des Gesamtsignals. Das restliche Signal ist Offset und i.d.R. unerwünscht.
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Zur Offsetbefreiung kann ein differentieller Aufbau gewählt werden. Beispielsweise können jeweils zwei Empfängerwindungen ein differentielles Paar bilden. Die beiden Windungen sind mit entgegengesetztem Wicklungssinn in Reihe verschaltet, sodass als messbares Signal nur die Differenz der beiden Spulensignale erhalten bleibt; ein Offset wird eliminiert.
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Aus der
US 6 271 661 B1 ist ein induktives absolutes Positionsmesssystem bekannt, das als Maßverkörperung Markierungen in einer zufälligen Reihenfolge aufweist, wobei eine Markierung einen von mehr als zwei Informationszuständen darstellen kann. Quer zur Messrichtung verlaufen dort zwischen den Markierungen Stege. Zur Abtastung der Maßverkörperung werden Einzelsensoren mit differentiell arbeitenden Empfängerspulen benutzt. Dabei gibt es zwei Gruppen von Einzelsensoren, die um einen Bruchteil der Markierungsabstände zueinander versetzt sind. Zudem gibt es eine gesonderte Senderspule je Gruppe von Einzelsensoren.
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Aus der
US 5 563 408 A1 ist bspw. ein absolutes Wegmesssystem bekannt, das mit einer binären Zufallszahlenfolge arbeitet. Zusätzlich gibt es ein inkrementelles Wegmesssystem parallel zu dem absoluten Wegmesssystem. Auch hier gibt es zwei Gruppen von Einzelsensoren. Zwischen diesen wird, abhängig vom Inkrementsignal, umgeschaltet, wodurch in jeder Stellung eine absolute Position des Sensors ablesbar ist.
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Die
EP 2 502 030 B1 offenbart eine induktive Messeinrichtung, bei der es zwei Informationszustände für Markierungen auf einer Maßverkörperung gibt. Hier sind jedoch keine Stege zwischen zwei benachbarten Markierungen und auch nicht längs der Messrichtung offenbart. Ohne einen Träger für die Maßverkörperung zerfällt die Maßverkörperung somit in zwei Teile.
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Die
DE 10 2008 018 355 A1 offenbart ein Messsystem, das nach dem Nonius-Prinzip arbeitet. Dadurch werden kürzere Sensoren zur Abtastung einer Maßverkörperung ermöglicht.
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Aus der
DE 10 2007 042 796 A1 ist eine Schienenführung mit einem absoluten Wegmesssystem mit Zufallszahlenfolge bekannt. Die Funktionsweise entspricht hier der aus der
US 5 563 408 A1 .
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Das in der
DE 10 2009 02 940 A1 beschriebene Messsystem benutzt einen inkrementellen Mäandersensor, d.h. Windungen der Spulen sind aus einer Leiterbahn gebildet, die abwechselnd (eine oder mehrere) Rechtskurven und (eine oder mehrere) Linkskurven hat und die derart gewunden ist, dass damit mehrere Flächen von Spulen begrenzt werden.
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Die Messsysteme aus dem Stand der Technik benötigen jedoch entweder lange Sensoren zur Abtastung der Maßverkörperung oder liefern nur eine ungenaue oder aufwändige Messung.
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Es ist daher wünschenswert, eine absolute Positionsmessvorrichtung anzugeben, die sowohl einen kurzen und einfach herzustellenden Sensor zur Abtastung einer stabilen Maßverkörperung als auch eine genaue und einfache Messung ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Positionsmessvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Eine erfindungsgemäße Positionsmessvorrichtung umfasst eine absolute Maßverkörperung und einen beweglichen Abtastkopf, der zur Abtastung der Maßverkörperung vorgesehen ist. Dabei weist der Abtastkopf einen absoluten Sensor auf, d.h. einen Sensor, mit dem eine absolute Position auf der absoluten Maßverkörperung bestimmt werden kann. Der absolute Sensor umfasst Sensorgruppen, wobei jede Sensorgruppe je eine Anzahl n, die größer oder gleich drei ist, Einzelsensoren umfasst. Die Einzelsensoren wiederum umfassen je eine Empfängerspule, in der ein vorhandenes magnetisches Wechselfeld ein Spannungssignal induziert. Vorzugsweise weist der Abtastkopf auch wenigstens eine Senderspule zur Erzeugung des magnetischen Wechselfelds auf.
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Die Empfängerspulen sind so ausgebildet, dass sich zwei benachbarte Empfängerspulen nicht überlappen. In Messrichtung sind die Empfängerspulen je eine Teilung λ lang. Die Maßverkörperung weist Markierungen und Querstege auf, die abwechselnd in Messrichtung ausgebildet sind. Die Länge n∙λ der Anzahl n von Teilungen λ ist gleich der Länge von insgesamt n – 1 Markierungen und n – 1 Querstegen und die Länge der Querstege ist größer oder gleich (n – 2)/(n – 1)∙λ (als Länge wird hier immer die Ausdehnung in Messrichtung, als Breite die Ausdehnung quer zur Messrichtung bezeichnet). Dementsprechend sind der Gruppe von n Einzelsensoren nur n – 1 Markierungen zugeordnet, so dass ein Einzelsensor für die Signalauswertung unberücksichtigt bleiben kann. Die vorgeschlagenen Merkmale stellen sicher, dass in der Gruppe von n Einzelsensoren unabhängig von der Stellung des Abtastkopfs gegenüber der Maßverkörperung höchstens ein einziger Einzelsensor vorhanden ist, der zwei benachbarte Markierungen überdeckt. Alle übrigen Einzelsensoren überdecken nur eine einzige zugeordnete Markierung und ggf. einen unmittelbar benachbarten Steg. Mit den letztgenannten Einzelsensoren können also alle erforderlichen Markierungen der Maßverkörperung abgelesen werden. Eine aufwändige Verrechnung der Sensorsignale wie bei der
DE 10 2008 018 355 A1 ist nicht erforderlich, da jedem benutzten Einzelsensor immer nur eine einzige Markierung zugeordnet ist. Insgesamt führt dies zu einer einfacheren Auswertung der Signale der Einzelsensoren.
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Vorzugsweise ist die Länge der Querstege gleich (n – 2)/(n – 1)∙λ. Dadurch kann eine optimale Signalstärke und -qualität gewährleistet werden.
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Vorteilhafterweise ist die Anzahl n an Einzelsensoren in einer Sensorgruppe des absoluten Sensors gleich drei. Da eine gewisse Länge (ca. 1 mm) eines Einzelsensors praktisch nicht unterschritten werden kann, ist drei die Mindestanzahl an Einzelsensoren einer Sensorgruppe, um ein verwertbares Signal zu erhalten. Die genannte Anzahl reicht zugleich aus, damit maximal ein Einzelsensor aus einer Sensorgruppe über zwei benachbarten Markierungen liegt bzw. diese zumindest teilweise bedeckt, wobei den beiden übrigen Einzelsensoren nur eine einzige Markierung zugeordnet ist. Mit n = 3 haben die Signale der Einzelsensoren im Mittel die größtmögliche Signalstärke, wobei durch eine weitere Erhöhung der Anzahl n der erforderliche Bauraum nur unwesentlich abnimmt.
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Es ist von Vorteil, wenn eine Markierung einen von mehr als zwei, vorzugsweise wenigstens vier verschiedenen Informationszuständen darstellt. Das so erzeugte Spannungssignal kann noch hinreichend gut identifiziert werden. Gegenüber einem binären System werden somit erheblich mehr Kombinationen möglich, was entweder einen kürzeren Sensor bzw. Abtastkopf oder eine längere Messstrecke, die absolut erfasst werden kann, ermöglicht.
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Vorteilhafterweise weisen die Einzelsensoren je eine Senderspule auf, der je eine Empfängerspule zugeordnet ist, wobei die Senderspulen je zwei Windungen mit entgegengesetztem Wicklungssinn umfassen, also differentiell geschaltet sind. Die genannten zwei Windungen sind vorzugsweise in Reihe geschaltet. Dadurch wirkt bereits das magnetische Wechselfeld differentiell auf die Empfängerspule. Das Empfangssignal einer Empfängerspule ist damit offsetfrei. Mittels der Senderspulen kann das magnetische Wechselfeld erzeugt werden, indem eine Wechselspannung angelegt wird. Zudem wird dadurch ein gleichmäßiges Feld für alle Einzelsensoren einer Sensorgruppe erzeugt. Anstelle einer differentiellen Senderspule ist es ebenso denkbar, die Empfängerspule differentiell zu gestalten, um eine Offsetfreiheit zu erreichen.
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Es ist weiter von Vorteil, wenn der absolute Sensor an den Enden in Messrichtung neben den Sensorgruppen noch zusätzliche Senderspulen, denen keine Empfängerspulen zugeordnet sind, aufweist. Diese können als Kompensationsspulen bezeichnet werden. Dadurch kann das Erregerfeld, das durch die Senderspulen erzeugt wird, homogener gemacht werden. Üblicherweise weicht das Erregerfeld am Rand, wo sich keine weitere Senderspule mehr befindet, ab von dem Erregerfeld in der Mitte. Dies kann durch zusätzliche Kompensationsspulen ausgeglichen werden.
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Vorzugsweise weist die Positionsmessvorrichtung zusätzlich eine inkrementelle Maßverkörperung auf, die parallel zur absoluten Maßverkörperung verläuft, und der Abtastkopf weist einen inkrementellen Sensor zur Abtastung der inkrementellen Maßverkörperung auf. Somit kann die Messgenauigkeit weiter verfeinert werden.
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Vorteilhafterweise sind die Senderspulen als Mäanderwindungen, insbesondere galvanisch getrennt in wenigstens zwei Schichten übereinander, ausgebildet. Als Mäanderwindung wird eine Windung verstanden, die abwechselnd (eine oder mehrere) Rechtskurven und (eine oder mehrere) Linkskurven hat. Die Kurven können gekrümmt oder eckig verlaufen, zwischen den Kurven können gerade Bereiche existieren. Durch einen derartigen Verlauf einer Leiterbahn können Windungen verschiedener Spulen mit einer Leiterbahn in einer Lage bzw. Schicht gebildet werden. Windungen mit entgegengesetztem Wicklungssinn oder Windungen zum Schließen von offenen Mäanderseiten können durch eine weitere Leiterbahn in einer weiteren Schicht gebildet werden, ohne dass sich die Leiterbahnen der unterschiedlichen Schichten elektrisch leitend kreuzen. Dies ermöglich eine Ausführung in nur zwei Schichten und somit eine einfache und dünne Bauweise.
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Es ist auch von Vorteil, wenn die Sender- und/oder Empfängerspulen in einer Richtung quer zur Messrichtung an beiden Enden über die Markierungen überstehen. Mit anderen Worten ist die Breite eines Einzelsensors quer zur Messrichtung größer als die Breite der Markierungen. Eine mögliche Verschiebung des Abtastkopfes quer zur Messrichtung hat somit keine Auswirkung auf die erzeugten Signale.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Auswertung eines Signals von einer erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung wird bei der Auswertung eines Signals in einer Stellung des Abtastkopfes gegenüber der absoluten Maßverkörperung wenigstens ein Einzelsensor einer Sensorgruppe nicht berücksichtigt, wobei der wenigstens eine Einzelsensor eine Markierung höchstens zur Hälfte bedeckt. Damit wird gewährleistet, dass sich die zur Auswertung benutzten Einzelsensoren ausschließlich über der im Augenblick zugeordneten Markierung befinden. Es wird kein undeutliches Signal erzeugt.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit einer Positionsmessvorrichtung ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt schematisch eine Sensorgruppe von Einzelsensoren mit einem Abschnitt einer Maßverkörperung und Sender- sowie Empfängerspulen in einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung.
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2 zeigt schematisch einen absoluten Sensor einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung.
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3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Positionsmessvorrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung.
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4 zeigt schematisch eine Sensorgruppe von Einzelsensoren und Markierungen in einer bevorzugten Ausgestaltung.
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5 zeigt schematisch eine Sensorgruppe von Einzelsensoren und Markierungen in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung.
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6 zeigt schematisch eine Sensorgruppe von Einzelsensoren und Markierungen in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 sind unten links schematisch ein Abschnitt einer absoluten Maßverkörperung 50 und darüber eine Sensorgruppe 22 von Einzelsensoren 21 in drei unterschiedlichen Positionen längs einer Messrichtung 11 dargestellt. Auf der absoluten Maßverkörperung 50 sind beispielhaft vier benachbarte Markierungen 51a, 51b, 51c, 51d dargestellt, wobei zwischen zwei Markierungen jeweils ein Quersteg 52 vorhanden ist. Die Markierungen 51a, 51b, 51c, 51d sind mit den Bezugsziffern 0, 1, 2, 3 bezeichnet, die verschiedene Informationszustände darstellen.
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Als Material für die Maßverkörperung 50 kommt insbesondere ein photochemisch geätztes Metallband aus ferromagnetischem Material, vorzugsweise rostfreier ferritischer Stahl. Die Markierungen werden vorzugsweise als rechteckige Löcher im Metallband ausgeführt. Die Markierungen können alle, unabhängig vom Informationszustand, den sie darstellen, die gleiche Form und Größe haben. Denkbar sind jedoch auch unterschiedliche Größen, insbesondere hinsichtlich der Breite quer zur Messrichtung. Anstelle von Löchern kann auch festes, nicht ferromagnetisches, Material vorgesehen sein.
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Unten rechts ist der Aufbau einer Sensorgruppe 22 dargestellt. Dieser umfasst drei ebene Schichten von elektrischen Leiterbahnen, die entgegen der Darstellung übereinander angeordnet sind, wobei sie elektrisch voneinander isoliert sind. Die Schicht, die unten in der Mitte dargestellt ist, umfasst drei Empfängerspulen 40, die jeweils eine Teilung λ in Messrichtung 11 lang sind. Mit den Bezugszeichen a, b, c sind die Positionen der drei Empfängerspulen 40 innerhalb der Sensorgruppe 22 gekennzeichnet. Die Empfängerspulen können jeweils als eine einfache Windung in einer Schicht bzw. Lage einer Mehrschicht- bzw. Mehrlagenanordnung ausgebildet sein.
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Unten rechts sind die zwei Schichten der Senderspulen 30 dargestellt. Zwei Mäanderwindungen 31 und 32 bilden zusammen die Senderspulen 30, wobei die beiden Mäanderwindungen in zwei verschiedenen Schichten der Mehrschichtanordnung ausgebildet sind. Der Übersichtlichkeit halber sind die beiden Mäanderwindungen 31, 32 nebeneinander dargestellt, in praktischer Ausführung liegen diese jedoch übereinander. Die genaue Lage ist mit den Bezugszeichen a, b, c angedeutet. Ebenso liegen die beiden Mäanderwindungen 31, 32 und somit die Senderspulen 30 in praktischer Ausführung über oder unter den Empfängerspulen 40. Die genaue Lage ist wiederum mit den Bezugszeichen a, b, c angedeutet. Jede der Mäanderwindungen 31, 32 hat abwechselnd drei Rechtskurven und drei Linkskurven, von denen zwei eckige 90°-Kurven und eine eine eckige etwa 45°-Kurve sind. Zwischen den Kurven liegen gerade Bereiche.
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Mit der Bezugsziffer 33 ist eine Durchkontaktierung gekennzeichnet, mit der die beiden Mäanderwindungen 31 und 32 miteinander verbunden sind. Mit I(t) ist ein Senderstrom bezeichnet, der die Senderspulen 30 bzw. die beiden Mäanderwindungen 31, 32 durchfließt. Anhand der Pfeile zu I(t) lässt sich erkennen, dass die beiden Mäanderwindungen 31, 32 so vom Senderstrom durchflossen werden, dass zwei Windungen, die einer Empfängerspule 40 zugeordnet sind, entgegengesetzt durchflossen werden. Bei den Empfängerspulen 40 unten in der Mitte ist dies beispielhaft mit erstem effektivem Kreisstrom 42 und zweitem effektivem Kreisstrom 43 angedeutet.
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Ein Einzelsensor 21 wird somit gemäß dem gezeigten Beispiel aus einer Empfängerspule 40 und zwei Windungen einer Senderspule 30 gebildet, die in Schichten übereinander, d.h. bspw. über dem mit a bezeichneten Bereich, angeordnet sind. Weiter ist ein Kreuzungsbereich 36 der Senderspulen 30 dargestellt, welcher ein Bereich ist, in dem sich die Mäanderwindungen 31 und 32 kreuzen, jedoch in verschiedenen Schichten, d.h. es besteht kein elektrischer Kontakt.
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In die Senderspulen 30 wird beim Betrieb der Positionsmessvorrichtung jeweils ein Sender-Wechselstrom (z.B. 100 kHz) eingespeist, der eine Vielzahl von effektiven Kreisströmen verursacht, wobei unmittelbar benachbarte Kreisströme eine entgegengesetzte Kreisrichtung aufweisen. Einer Empfängerspule 40 sind dabei jeweils zwei effektive Kreisströme mit entgegen gesetzter Kreisrichtung zugeordnet. Diese induzieren jeweils eine Wechselspannung in die Empfängerspule 40. Wenn eine absolute Maßverkörperung 50 ohne Markierungen (keine Löcher, nur ferromagnetisches Metall) vorhanden wäre, wären diese Wechselspannungen betragsmäßig gleich, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen, so dass sie sich exakt aufheben.
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Dieser Effekt wird als Kompensation bezeichnet. Würde man hierauf verzichten, würde die Spannung an der Empfängerspule 40 abhängig von einem Informationszustand um einen Signal-Offset schwanken, der möglicherweise betragsmäßig größer als die Schwankungen im Signal ist, die durch die verschiedenen Informationszustände verursacht werden. Dies erschwert die Signalauswertung erheblich.
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Oben und unten an den Empfängerspulen 40 ist zu erkennen, dass diese, ebenso wie die Senderspulen 30, jeweils um einen Abstand 35 über die maximale Breite (quer zur Messrichtung 11) der Markierungen 51a, 51b, 51c, 51d überstehen. Damit wird gewährleistet, dass eine mögliche geringe Verschiebung einer Sensorgruppe 22 von Einzelspulen (praktisch immer nur zusammen mit dem gesamten absoluten Sensor) in einer Richtung quer zur Messrichtung 11 keinen Einfluss auf eine Änderung des in einer Empfängerspule 40 induzierten Spannungssignals hat, da die Markierung immer noch von der Empfängerspule 40 überdeckt wird. Mit der Bezugsziffer 41 sind Anschlüsse der Empfängerspulen an eine Auswerteeinheit bezeichnet, mit der Bezugsziffer 34 sind Anschlüsse der Senderwindungen 30 an diese oder eine andere Auswerteeinheit, von welcher sie mit Spannung versorgt werden, bezeichnet.
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An den Stellen, an denen die Markierungen 51, 51a, 51b, 51c, 51d in der Maßverkörperung 50 vorgesehen sind, schwächt sich der Induktionseffekt ab, so dass sich die beiden induzierten Spannungen nicht mehr aufheben. An der Empfängerspule liegt dann eine induzierte Wechselspannung an, deren Amplitude den Informationszustand repräsentiert.
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Anzumerken ist, dass auch Wirbelströme in die Maßverkörperung 50 induziert werden, die dem obigen Effekt genau entgegen wirken. Da die Maßverkörperung vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl mit geringer elektrischer Leitfähigkeit besteht, sind diese aber gering.
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Bei den Markierungen 51a, 51b, 51c, 51d ist zu sehen, dass eine Markierung genau λ lang ist und ein zwischen zwei benachbarten Markierungen liegender Quersteg 52 genau λ/2 lang ist. Oben links sind verschiedene mögliche Positionen einer Sensorgruppe 21 von drei Einzelsendern 21, die innerhalb der Sensorgruppe die Positionen a, b, c einnehmen, gegenüberüber den Markierungen 51a, 51b, 51c, 51d dargestellt. Hier ist auch zu sehen, dass die Länge von drei Einzelspulen 21 genau der Länge von zwei Markierungen und zwei Querstegen, nämlich insgesamt jeweils 3∙λ entspricht. Die Darstellungen der Sensorgruppe 22 sind, von unten nach oben, jeweils um λ/3 nach rechts verschoben.
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Die Markierung 51a stellt einen ersten Informationszustand 0 dar, die Markierung 51a ist am unteren Rand der absoluten Maßverkörperung 50 angebracht, sodass sie gänzlich und nur einen, bspw. ersten, effektiven Kreisstrom überdeckt, wenn sich eine Senderspule darüber befindet. Der andere, entgegengesetzte, also zweite, effektive Kreisstrom wird nicht überdeckt. Die Markierung 51b stellt einen zweiten Informationszustand 1 dar, die Markierung 51b ist etwas vom unteren Rand hin zum oberen Rand der Maßverkörperung 50 verschoben, sodass sie beide effektive Kreisströme teilweise überdeckt, wenn sich eine Senderspule darüber befindet, jedoch asymmetrisch, also der untere, erste, Kreisstrom wird mehr überdeckt als der obere, zweite, Kreisstrom. Bei den dritten und vierten Informationszuständen 2 bzw. 3 der Markierungen 51c, 51d verhält es sich bzgl. der Kreisströme genau umgekehrt wie bei den Informationszuständen 1 bzw. 0, d.h. beim Informationszustand 2 wird der zweite Kreisstrom mehr überdeckt als der erste und beim Informationszustand 3 wird gänzlich und nur der zweite Kreisstrom überdeckt, wenn sich eine Senderspule darüber befindet. Die durch die verschiedenen Informationszustände hervorgerufen Signale in den Empfängerspulen 40 unterscheiden sich entsprechend voneinander, sodass sie als unterschiedliche Signale aufgefasst werden können. Denkbar wäre auch ein fünfter Informationszustand, für den die Markierung zwei entgegengesetzt gerichtete Kreisströme symmetrisch überdeckt.
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Aufgrund möglicher Verformungen im Material der Maßverkörperung z.B. wäre jedoch die Symmetrie praktisch kaum zu gewährleisten.
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Schließlich sind am unteren und oberen Rand der Maßverkörperung 50 noch ein erster Längssteg 53 und ein zweiter Längssteg 54 ausgebildet, wodurch der Maßverkörperung Stabilität verliehen wird.
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In 2 ist schematisch ein Aufbau eines absoluten Sensors 20 in einer bevorzugten Ausgestaltung gezeigt. Der absolute Sensor 20 besteht aus mehreren, bspw. sieben, Sensorgruppen 22 mit jeweils drei Einzelsensoren. Die Position von Einzelsensoren innerhalb einer Sensorgruppe 22 ist jeweils mit den Bezugszeichen a, b, c bezeichnet. Der Übersichtlichkeit halber sind nur an jedem Ende des absoluten Sensors 20 je zwei Sensorgruppen 22 dargestellt.
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Zusätzlich sind an den beiden Enden je zwei Positionen mit zusätzlichen Senderspulen x, y dargestellt, denen keine Empfängerspulen zugeordnet sind. Sie werden als Kompensationsspulen bezeichnet. Diese Kompensationsspulen dienen einer Homogenisierung des durch die Senderspulen erzeugten Feldes. Über der letzten Empfängerspule verhält sich das Feld somit wie über einer Empfängerspule innerhalb des Senders. Ohne die Kompensationsspulen x, y würde sich das Feld am Randbereich ändern und die in den Empfängerspulen erzeugten Spannungssignale wären undeutlich.
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In 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Positionsmessvorrichtung 10 in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung dargestellt. Zusätzlich zu der absoluten Maßverkörperung 50 und dem zugehörigen absoluten Sensor 20 sind auch eine inkrementelle Maßverkörperung 13 sowie ein zugehöriger inkrementeller Sensor 14 enthalten. Beide Maßverkörperungen 50, 13 verlaufen parallel entlang der Messrichtung. Je nach Ausgestaltung können die beiden Maßverkörperungen bspw. auf zwei gegenüberliegenden Seiten einer Schiene oder aber parallel nebeneinander verlaufend angebracht sein. Beide Sensoren 20, 14 werden über eine Auswerteeinheit 12 ausgelesen bzw. mit Spannung versorgt. Die inkrementelle Messvorrichtung ermöglicht eine feinere Messung ausgehend von der absoluten Messung.
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In 4 ist schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer Sensorgruppe mit drei Einzelsensoren, d.h. n = 3, dargestellt. Die Darstellung entspricht in etwa dem linken Teil der 1, also der Lage von Einzelsensoren gegenüber Markierungen. Die Positionen der Einzelsensoren innerhalb der Sensorgruppe sind mit den Bezugszeichen a, b, c bezeichnet. Ein Einzelsensor ist eine Teilung λ lang.
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Für Fall (A) ist eine Markierung 51 ebenfalls λ lang, ein Quersteg 52 zwischen zwei Markierungen 51 ist genau λ/2 lang. In Stellung (1) der Sensorgruppe kann jeder Einzelsensor an den Positionen a, b, c genau einer Markierung 51 zugeordnet werden, wobei wenigstens einer der beiden Einzelsensoren an den Positionen b, c, die genau zur Hälfte über einer Markierung stehen, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht berücksichtigt wird, vorliegend also der Einzelsensor an Position b und/oder c. Eine prinzipiell denkbare Möglichkeit, einen der beiden Einzelsensoren auszuwählen, der unberücksichtigt bleibt, ist, den Einzelsensor zu wählen, dessen Überlappung mit einer Markierung bei Bewegung der Sensorgruppe in Messrichtung zuletzt kleiner geworden ist. Wird eine Bewegung der Sensorgruppe nach rechts angenommen, so bleibt der Einzelsensor an Position c unberücksichtigt. Auf diese Weise kann immer eindeutig ein Einzelsensor bestimmt werden, der unberücksichtigt bleiben soll.
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Beim Übergang von Stellung (1) in Stellung (2) ist den Einzelsensoren a und b nur jeweils eine einzige Markierung 51 zugeordnet. Der Einzelsensor c steht in dieser Bewegungsphase dagegen über zwei Markierungen 51 und bleibt folglich unberücksichtigt.
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Beim Übergang von Stellung (2) in Stellung (3) ist den Einzelsensoren b und c nur jeweils eine einzige Markierung 51 zugeordnet. Der Einzelsensor a steht in dieser Bewegungsphase dagegen über zwei Markierungen 51 und bleibt folglich unberücksichtigt. Die Stellung (2) ist dementsprechend eine Grenzstellung, in welcher der unberücksichtigte Einzelsensor von c auf a gewechselt wird.
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Beim Übergang von Stellung (3) in Stellung (1) ist den Einzelsensoren c und a nur jeweils eine einzige Markierung 51 zugeordnet. Dabei bezieht sich Stellung (1) nunmehr auf die beiden rechten Markierungen 51 und nicht mehr wie oben auf die beiden linken Markierungen 51. Der Einzelsensor b steht in dieser Bewegungsphase dagegen über zwei Markierungen 51 und bleibt folglich unberücksichtigt. Die Stellung (3) ist dementsprechend eine Grenzstellung in welcher der unberücksichtigte Einzelsensor von a auf b gewechselt wird. Die Stellung (1) ist die Grenzstellung, in welcher der unberücksichtigte Einzelsensor von b auf c gewechselt wird. Der Zeitpunkt zu dem der unberücksichtigte Einzelsensor gewechselt wird, wird vorzugsweise anhand der genauen Positionsinformation ermittelt, die mit der inkrementellen Maßverkörperung 13 gemäß 3 ermittelt wird.
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Durch die genaue Zuordnung eines Einzelsensors zu einer Markierung kann ein Einfluss von benachbarten Markierungen ausgeschlossen werden und ein deutliches Signal erzielt werden.
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Für Fall (B) ist eine Markierung 51 kürzer als λ, ein Quersteg 52 hingegen ist länger als λ/2. Auch hier sind immer zwei Einzelsensoren vorhanden, welche genau einer einzigen Markierung zugeordnet sind, wobei nur ein einziger Einzelsensor zwei benachbarten Markierungen zugeordnet ist bzw. eine Markierung höchstens zur Hälfte bedeckt. Jedoch sind die durch die kürzeren Markierungen 51 erzielten Signale in den Einzelsensoren weniger deutlich als für Fall (A), insbesondere ist die Signalamplitude geringer.
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Für Fall (C) ist eine Markierung 51 länger als λ, ein Quersteg 52 hingegen ist kürzer als λ/2. Eine eindeutige Zuordnung wenigstens einer Einzelspule zu einer Markierung, wobei wenigstens eine Einzelspule unberücksichtigt bleibt, ist hier nicht möglich. Würde die Sensorgruppe der Stellung (2) bspw. leicht nach rechts verschoben, so wären den Einzelsensoren an den Positionen a und c jeweils zwei Markierungen zugeordnet.
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In 5 ist schematisch eine weitere bevorzugte Ausgestaltung einer Sensorgruppe mit vier Einzelsensoren, d.h. n = 4, dargestellt. Die Darstellung ist ansonsten ähnlich zu der in 4, jedoch ist nur ein Fall, nämlich eine Länge der Markierungen 51 von 2/3 λ und eine Länge der Querstege 52 von ebenfalls 2/3 λ, gezeigt. Um eine eindeutige Zuordnung von wenigstens einem der Einzelsensoren zu einer Markierungen zu erhalten, können beim Übergang von Stellung (1) nach Stellung (2) der Einzelsensor an Position d, beim Übergang von Stellung (2) in Stellung (3) der Einzelsensor an Position a, beim Übergang von Stellung (3) in Stellung (4) der Einzelsensor an Position b und beim Übergang von Stellung (4) in Stellung (1) der Einzelsensor an Position c unberücksichtigt bleiben.
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In 6 ist schematisch noch eine weitere bevorzugte Ausgestaltung einer Sensorgruppe mit fünf Einzelsensoren, d.h. n = 5, dargestellt. Die Darstellung ist ansonsten ähnlich zu der in 5, jedoch beträgt eine Länge der Markierungen 51 λ/2 und eine Länge der Querstege 52 3/4 λ. Um eine eindeutige Zuordnung von Einzelsensoren zu Markierungen zu erhalten, können beim Übergang von Stellung (1) in Stellung (2) der Einzelsensor an Position e, beim Übergang von Stellung (2) in Stellung (3) der Einzelsensor an Position a, beim Übergang von Stellung (3) in Stellung (4) der Einzelsensor an Position b, beim Übergang von Stellung (4) in Stellung (5) der Einzelsensor an Position c und beim Übergang von Stellung (5) in Stellung (1) der Einzelsensor an Position d unberücksichtigt bleiben.
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In allen Ausführungsformen hat eine Sensorgruppe immer einen Einzelsensor mehr als dieser Sensorgruppe Markierungen zugeordnet sind. Dementsprechend kann ein Einzelsensor unberücksichtigt bleiben, wobei dennoch alle zugeordneten Markierungen von den übrigen Einzelsensoren abgelesen werden können. Für die Bestimmung der absoluten Position kommt es nur darauf an, dass die Informationszustände einer bestimmten Anzahl von benachbarten Markierungen bekannt sind.
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Bezugszeichenliste
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- λ
- Teilung
- I(t)
- Senderstrom
- a, b, c, d, e
- Position einer Empfängerspule innerhalb einer Sensorgruppe
- x, y
- zusätzliche Senderspulen
- 0
- erster Informationszustand
- 1
- zweiter Informationszustand
- 2
- dritter Informationszustand
- 3
- vierter Informationszustand
- 10
- Positionsmessvorrichtung
- 11
- Messrichtung
- 12
- Auswerteeinheit
- 13
- inkrementelle Maßverkörperung
- 14
- inkrementeller Sensor
- 20
- absoluter Sensor
- 21
- Einzelsensor
- 22
- Sensorgruppe
- 30
- Senderspulen
- 31
- erster Mäanderabschnitt der Senderspulen
- 32
- zweiter Mäanderabschnitt der Senderspulen
- 33
- Durchkontaktierung
- 34
- Anschluss der Senderspulen an eine Auswerteinheit
- 35
- Abstand
- 36
- Kreuzungsbereich
- 40
- Empfängerspule
- 41
- Anschlüsse der Empfängerspulen eine Auswerteeinheit
- 42
- erster effektiver Kreisstrom
- 43
- zweiter effektiver Kreisstrom
- 50
- absolute Maßverkörperung
- 51
- Markierung
- 51a–51d
- benachbarte Markierungen
- 52
- Quersteg
- 53
- erster Längssteg
- 54
- zweiter Längssteg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6271661 B1 [0005]
- US 5563408 A1 [0006, 0009]
- EP 2502030 B1 [0007]
- DE 102008018355 A1 [0008, 0015]
- DE 102007042796 A1 [0009]
- DE 10200902940 A1 [0010]
