DE102015203107A1

DE102015203107A1 - Wegsensor für messschieber mit kraftangabe

Info

Publication number: DE102015203107A1
Application number: DE102015203107.1A
Authority: DE
Inventors: Ted Staton Cook; Bjorn E.B. Jansson
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2015-09-03
Also published as: CN104880141B; JP2015165232A; US20150247742A1; US9417094B2; JP6548908B2; CN104880141A

Abstract

Ein Messschieber, der ein Skalenelement, einen Schieber, einen Schieberwegsensor und eine Kraftaufnehmeranordnung umfasst. Die Kraftaufnehmeranordnung ist konfiguriert, um ein Signal bereitzustellen, das eine Messkraft angibt, und beinhaltet Elemente, die auf der gleichen Leiterplatte wie der Schieberwegsensor hergestellt werden. Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Kraftaufnehmeranordnung Ansteuer- und Aufnehmerspulen, die in einer oder mehreren Metallschichten der Leiterplatte hergestellt werden. Ein Signalmodulationselement (z. B. ein Metallkern) ist ebenfalls enthalten, der an einem Kraftsteller angebracht ist, der sich gemäß der ausgeübten Messkraftmenge bewegt. Der Kraftsteller bewegt sich mit Bezug auf die linear verschobenen Spulen, und das angebrachte Signalmodulationselement wirkt auf die induktive Kopplung zwischen den Spulen ein. Die sich ergebenden Signale von den Spulen können verwendet werden, um die Position des Signalmodulationselements und die entsprechende Messkraft zu bestimmen.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Präzisionsmessinstrumente und genauer gesagt Messschieber mit einer bewegbaren Backe zum Messen der Abmessungen eines Objekts.
Beschreibung der verwandten Technik
Es sind diverse elektronische Messschieber bekannt, die elektronische Positionscodierer verwenden. Diese Codierer basieren im Allgemeinen auf einer induktiven, kapazitiven oder magnetischen Positionsaufnahmetechnik mit geringem Stromverbrauch. Im Allgemeinen kann ein Codierer einen Lesekopf und eine Skala umfassen. Der Lesekopf kann im Allgemeinen einen Lesekopfsensor und Lesekopfelektronik umfassen. Der Lesekopf gibt Signale aus, die in Abhängigkeit von der Position des Lesekopfsensors mit Bezug auf die Skala entlang einer Messachse variieren. Bei einem elektronischen Messschieber ist die Skala im Allgemeinen an einem länglichen Skalenelement angefügt, das eine erste Messbacke umfasst, und der Lesekopf ist an einem Schieber angefügt, der entlang dem Skalenelement bewegbar ist und eine zweite Messbacke umfasst. Somit können Messungen des Abstands zwischen den beiden Messbacken basierend auf den Signalen von dem Lesekopf bestimmt werden.
Beispielhafte elektronische Messschieber werden in den gemeinsam übertragenen US-Patenten Nr. RE37490, 5.574.381 und 5.973.494 , die hiermit jeweils zur Bezugnahme vollständig übernommen werden, offenbart. Ein elektronischer Messschieber aus dem Stand der Technik, der in der Lage ist, eine Kraft zu messen, wird in der US-Patentschrift Nr. 2003/0047009 (Patentschrift '009 ) offenbart. Wie in der Patentschrift '009 beschrieben, besteht eine Schwäche bei der Verwendung früherer Messschieber in der Variation der Kraft, die durch die Messbacken ausgeübt werden kann, und in den Messunterschieden, die sich daraus ergeben können. Insbesondere, wenn ein weiches Objekt gemessen wird, kann die Messung des Objekts unzuverlässig oder nicht wiederholbar sein, weil man entweder mehr Kraft auf die Backen des Messschiebers ausüben kann, so dass das weiche Objekt „mehr zusammengedrückt” wird, oder weniger Kraft ausüben kann, so dass das weiche Objekt „weniger zusammengedrückt” wird. Als Lösung offenbart die Patentschrift '009 einen Messschieber, der in der Lage ist, sowohl die Größe als auch die auf ein Objekt ausgeübte Kraft zu messen, die analysiert werden können, um besser wiederholbare Messungen bereitzustellen. Die Kraft wird mit einem Dehnungsmessstreifen gemessen, der mit einem Halter an einem Lesekopf angebracht ist. Der Dehnungsmessstreifen gibt ein Signal aus, das mit der Kraftmenge zusammenhängt, die auf ein Objekt ausgeübt wird, das mit dem Messschieber gemessen wird, und das Signal wird an eine Leiterplatte übertragen. Obwohl die Druckschrift '009 in der Tat das Vornehmen von Kräftemessungen offenbart, erfordert die Konfiguration, die sie dazu verwendet die Verwendung und Anbringung des Dehnungsmessstreifens. Zusätzlich muss das Signal irgendwie an die Leiterplatte übertragen werden, was benötigt, dass zusätzliche Verdrahtungs- oder andere Kopplungstechniken verwendet werden. Ferner kann eine spezielle Verarbeitung notwendig sein, um das Signal von dem Dehnungsmessstreifen in eine brauchbare Kraftablesung zur Verwendung mit dem Messschieber umzuwandeln. Es besteht Bedarf an einer kostengünstigeren Konfiguration, die ein Kraftniveau in einem Messschieber angibt und dabei die Notwendigkeit externer elektronischer Bauteile und Anbringungen an einer Leiterplatte minimiert, und die zuverlässig in einer typischen Umgebung für die Verwendung von Messschiebern funktioniert.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Kurzdarstellung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form einzuführen, die nachstehend in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Die vorliegende Kurzdarstellung ist nicht dazu gedacht, Hauptmerkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, und ist auch nicht dazu gedacht, als Hilfsmittel zum Bestimmen des Umfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet zu werden.
Es wird ein elektrisch betriebener Messschieber bereitgestellt, der ein Skalenelement, einen Schieber, einen Schieberwegsensor und eine Kraftaufnehmeranordnung umfasst. Das Skalenelement umfasst eine erste Messfläche, die während einer Messung an ein Werkstück zu halten ist. Der Schieber umfasst eine zweite Messfläche, die während einer Messung an ein Werkstück zu halten ist. Der Schieberwegsensor ist konfiguriert, um ein Positionssignal bereitzustellen, das auf Änderungen einer Position des Schiebers entlang dem Skalenelement reagiert, und umfasst einen Leitersignalaufnehmer, der auf einer Leiterplatte hergestellt ist, die auf dem Schieber getragen wird.
Die Messkraft-Aufnehmeranordnung befindet sich ebenfalls auf dem Schieber und umfasst einen Kraftsteller, einen Kraftelement-Wegsensor und einen Kraftaufnehmerkreis. Der Kraftsteller bewegt sich mit Bezug auf die Leiterplatte. Der Kraftelement-Wegsensor umfasst mindestens einen Leitersignalaufnehmer und mindestens ein Signalmodulationselement. Der mindestens eine Leitersignalaufnehmer ist mit Bezug auf die Leiterplatte festgelegt. Das mindestens eine Signalmodulationselement ist mit dem Kraftsteller gekoppelt und befindet sich in der Nähe des mindestens einen Leitersignalaufnehmers. Der Kraftaufnehmerkreis befindet sich auf der Leiterplatte und ist mit dem mindestens einen Leitersignalaufnehmer gekoppelt. Die Messkraft-Aufnehmeranordnung ist konfiguriert, um ein Kraftsignal als Reaktion auf Änderungen einer Messkraft, die von einem Benutzer auf ein Werkstück über mindestens eine der ersten und zweiten Messflächen während eines Messvorgangs ausgeübt wird, bereitzustellen.
Bei diversen Umsetzungen kann der Kraftsteller ein starres Element umfassen, das mit einer Feder mit Kraftfederkonstante gekoppelt ist, die eine Abmessung aufweist, die von einem Benutzer durch den Kraftsteller geändert wird, um die Messkraft zu variieren. Das mindestens eine Signalmodulationselement kann mit dem Kraftsteller gekoppelt sein, und kann konfiguriert sein, um sich gemäß der geänderten Abmessung und in der Nähe des mindestens einen Leitersignalaufnehmers zu bewegen. Der mindestens eine Leitersignalaufnehmer kann in einer Metallschicht der Leiterplatte hergestellt werden, die auf dem Schieber getragen wird. Der Kraftaufnehmerkreis kann auf die Position des mindestens einen Signalmodulationselements mit Bezug auf den mindestens einen Leitersignalaufnehmer reagieren.
Bei diversen Umsetzungen kann der mindestens eine Leitersignalaufnehmer einen Induktionsvariator umfassen, der eine Induktivität aufweist, die von der Position des mindestens einen Signalmodulationselements abhängig ist. Der Kraftelement-Wegsensor kann ferner mindestens ein induktives Ansteuerelement umfassen, das induktiv mit dem mindestens einen Induktionsvariator gekoppelt ist, wobei die induktive Kopplung von der Position des mindestens einen Signalmodulationselements abhängig ist. Das mindestens eine Signalmodulationselement kann mindestens entweder einen eisenfreien Leiter oder ein Ferritmaterial umfassen.
Bei diversen Umsetzungen kann der mindestens eine Induktionsvariator mindestens zwei planare Spulen umfassen, die in einer Metallschicht der Leiterplatte, die von dem Schieber getragen wird, hergestellt werden. Bei einer Umsetzung können die mindestens zwei planaren Spulen im Verhältnis zueinander symmetrisch sein, und das Signalmodulationselement kann ungefähr die Hälfte von jeder der mindestens zwei planaren Spulen abdecken, wenn es sich in einer Ruheposition befindet.
Bei diversen Umsetzungen kann der mindestens eine Induktionsvariator eine planare Signalspule umfassen, und das induktive Ansteuerelement kann eine planare Ansteuerspule umfassen, die in einer Metallschicht der Leiterplatte, die auf dem Schieber getragen wird, hergestellt wird. Die planare Signalspule und die planare Ansteuerspule können konfiguriert sein, um eine gemeinsame Fläche zu umgeben. Bei einer Umsetzung kann die Leiterplatte zwei Schichten umfassen, wobei die planare Signalspule und die planare Ansteuerspule in der gleichen Metallschicht der Leiterplatte hergestellt werden können. Bei einer anderen Umsetzung kann die Leiterplatte vier Schichten umfassen, und die planare Signalspule und die planare Ansteuerspule können in verschiedenen Metallschichten der Leiterplatte hergestellt werden.
Bei diversen Umsetzungen kann der Schieberwegsensor ein Positionsansteuersignal von einem Ansteuerkreis empfangen, und der Ansteuerkreis kann dem Kraftelement-Wegsensor auch ein Kraftansteuersignal bereitstellen. Bei einer Umsetzung können das Positionsansteuersignal und das Kraftansteuersignal während verschiedenen Taktzyklen für den Ansteuerkreis bereitgestellt werden.
Bei diversen Umsetzungen kann die Leiterplatte, die auf dem Schieber getragen wird, an dem Schieber in einem Montagebereich der Leiterplatte anliegen. Zusätzlich kann sich der Leitersignalaufnehmer des Schieberwegsensors mit dem Skalenelement in einem Skalenbereich überdecken, der sich in einer ersten seitlichen Richtung von dem Montagebereich entfernt befindet. Ferner kann der mindestens eine Leitersignalaufnehmer des Kraftelement-Wegsensors in einem Bereich angeordnet sein, der sich in der entgegengesetzten seitlichen Richtung von dem Montagebereich entfernt befindet. Es versteht sich, dass bei dieser Konfiguration der Metallschieber zusätzlich zu seinen üblichen Schieberfunktionen auch dazu dienen kann, die Signale für die beiden Wegsensoren voneinander abzuschirmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein Diagramm in einer auseinandergezogenen Ansicht eines Messschiebers nach Art eines Handwerkzeugs, der eine Skala und einen Schieber mit einem Signalmodulationselement eines Kraftelement-Wegsensors umfasst, der an einer ersten Ausführungsform einer Kraftsteller-Baugruppe angebracht ist.
2 ein Diagramm in einer auseinandergezogenen Ansicht der Kraftsteller-Baugruppe aus 1, wobei das Signalmodulationselement angebracht ist.
3 ein Diagramm in einer isometrischen Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Kraftsteller-Baugruppe, wobei das Signalmodulationselement angebracht ist.
4A und 4B Diagramme, die eine erste Ausführungsform eines Kraftelement-Wegsensors abbilden, der auf ein Signalmodulationselement reagiert.
5A–5D Diagramme, die eine zweite Ausführungsform eines Kraftelement-Wegsensors abbilden, der auf ein Signalmodulationselement reagiert.
6 ein schematisches Diagramm, das diverse Betriebsgrundlagen eines Kraftelement-Wegsensors abbildet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist ein Diagramm in einer auseinandergezogenen Ansicht eines Messschiebers 100 nach Art eines Handwerkzeugs mit einem Signalmodulationselement 250, das an einer ersten Ausführungsform einer Kraftsteller-Baugruppe 182 angebracht ist. Bei diesem Beispiel umfasst der Messschieber 100 einen Schieberwegsensor 158 (z. B. eine magnetische oder induktive Sensorbaugruppe) und ein Skalensubstrat 125, das eine Skalenspur 126 (von denen jeweils ein freigeschnittenes Segment abgebildet ist), die in einer Nut 127 entlang einem länglichen Skalenelement 102 positioniert ist, umfasst. Es versteht sich, dass bei anderen Ausführungsformen andere Arten von Schieberwegsensoren 158 verwendet werden können (z. B. kapazitive usw.). Eine Schieberbaugruppe 170 umfasst eine elektronische Baugruppe 160, die an einem Schieber 130 angebracht ist. Der Schieberwegsensor 158 ist in der elektronischen Baugruppe 160 enthalten. Der allgemeine mechanische Aufbau und die physische Funktionsweise des Messschiebers 100 sind ähnlich wie jene bestimmter früherer elektronischer Messschieber, wie etwa die aus dem gemeinsam übertragenen US-Patent Nr. 5.901.458 , das hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird. Das Skalenelement 102 ist eine starre oder halbstarre Leiste, die diverse Nuten und/oder andere Merkmale umfassen kann, die in einen allgemein rechtwinkligen Querschnitt integriert sind. Das Skalensubstrat 125 kann starr in die Nut 127 geklebt werden, und die Skalenspur 126 kann Skalenelemente umfassen, die mit entsprechenden Elementen (nicht gezeigt) des Schieberwegsensors 158 zusammenwirken, der in der elektronischen Baugruppe 160 enthalten ist, ähnlich wie es bei bekannten elektronischen Messschiebern der Fall ist und wie es in den zuvor übernommenen Patenten RE37490 und 5.901.458 und in dem gemeinsam übertragenen US-Patent Nr. 6.400.138 , das hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, beschrieben wird.
Ein Paar Backen 108 und 110 ist einstückig in der Nähe eines ersten Endes des Skalenelements 102 gebildet. Ein entsprechendes Backenpaar 116 und 118 ist auf dem Schieber 130 gebildet. Die Außenabmessungen eines Werkstücks werden gemessen, indem das Werkstück zwischen ein Paar Eingriffsflächen 114 der Backen 108 und 116 gesetzt wird. Ähnlich werden die Innenabmessungen eines Werkstücks gemessen, indem ein Paar Eingriffsflächen 122 der Backen 110 und 118 an gegenüberliegende Innenflächen des Werkstücks gelegt wird. In einer Position, die manchmal als Nullposition bezeichnet wird, liegen die Eingriffsflächen 114 aneinander an, die Eingriffsflächen 122 sind ausgerichtet, und sowohl die Innen- als auch die Außenabmessungen, die von dem Messschieber 100 gemessen werden, können mit Null angegeben werden.
Die gemessene Abmessung kann auf einer digitalen Anzeige 144 angezeigt werden, die in einer Abdeckung 140 der elektronischen Baugruppe 160 des Messschiebers 100 eingebaut ist. Die elektronische Baugruppe 160 kann auch einen Tastenschalter 141 (z. B. einen Schalter „Ausgangsposition”), einen Kraftzustandsindikator 142 (z. B. eine zwei- oder dreifarbige Leuchte) und eine Leiterplatte 150 für Signalverarbeitung und Anzeige umfassen. Die Vorgänge zum Einstellen der Kraftschwelle werden in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 13/706.225 (nachstehend Anmeldung '225) unter dem Titel „System and Method for Setting Measurement Force Thresholds in a Force Sensing Caliper”, eingereicht am 5. Dezember 2012, die hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, ausführlicher beschrieben. Wie in der Anmeldung '225 beschrieben, kann der Tastenschalter 141 bei einer Umsetzung als Teil eines Prozesses zum Einstellen von Kraftschwellen verwendet werden, und der Kraftstatusindikator 142 kann verwendet werden, um Kraftschwellensignale bereitzustellen (z. B. „grün”, wenn die Kraft innerhalb eines gewünschten Messbereichs liegt, und „rot”, wenn die Kraft über den gewünschten Messbereich hinausgegangen ist).
Die Leiterplatte 150 für Signalverarbeitung und Anzeige kann einen Schaltkreis 159 zum Verarbeiten und Regeln von Lesekopfsignalen umfassen. Wie in 1 gezeigt, kann die untere Oberfläche der Leiterplatte 150 für Signalverarbeitung und Anzeige eingebaut sein, um an den oberen Oberflächen des Schiebers 130 auf beiden Seiten des Skalenelements 102 anzuliegen.
Eine Kraftmessanordnung 180 umfasst diverse Komponenten, die auf dem Schieber 130 eingebaut sind. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, umfasst die Kraftmessanordnung 180 eine Kraftmessanordnung, die bei dieser bestimmten Ausführungsform durch eine erste Ausführungsform einer Kraftsteller-Baugruppe 182 und eines Kraftelement-Wegsensors 200 bereitgestellt wird. Der Kraftelement-Wegsensor 200 umfasst eine Anordnung von Wegsignalelementen 205, einem Signalmodulationselement 250 und einem Kraftstellelement 252. Wie es nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird, wird die Anordnung von Wegsignalelementen 205 in einer oder mehreren Metallschichten der Leiterplatte 150 hergestellt und erzeugt elektrische Signale, welche die Position des Signalmodulationselements 250 angeben. Der Schaltkreis 159 zum Verarbeiten und Regeln von Lesekopfsignalen umfasst einen Kraftaufnehmerkreis, der die Kraftaufnehmersignale von der Anordnung von Wegsignalelementen 205 zum Bestimmen der Kraftmessungen empfängt. Der Schaltkreis 159 zum Verarbeiten und Regeln von Lesekopfsignalen kann auch Ansteuersignale für die Anordnung von Wegsignalelementen 205 bereitstellen, wie es nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Signalmodulationselement 250 ein gewünschtes Material, das an dem Kraftstellelement 252 angebracht ist, das mechanisch mit der Kraftsteller-Baugruppe 182 gekoppelt ist oder Teil davon ist. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Signalmodulationselement 250 das gleiche Material wie das Kraftstellelement 252 umfassen und/oder kann einen Teil davon umfassen. Die Kraftsteller-Baugruppe 182 umfasst eine Einstellschraube 191, einen Kraftstellerkörper 192, einen Führungsstab/ein Führungslager 194 und eine Feder 196 mit einer Stellkraftfederkonstante. Wenn ein Benutzer die Einstellschraube 191 betätigt, um den Schieber 130 in Richtung auf das erste Ende des Skalenelements 102 zu bewegen, werden das Kraftstellelement 252 und das angebrachte Signalmodulationselement 250 nach vorne geschoben, um sich in der Richtung der Messschieber-Messachse mit Bezug auf die Anordnung von Wegsignalelementen 205 geführt zu bewegen. Das Signalmodulationselement 250 ist mit einer relativ kleinen Lücke in der Nähe der Wegsignalelemente 205 derart angeordnet, dass sie seine relative Position in Richtung der Messachse erkennen, wie es nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird. Es versteht sich, dass die Position des Signalmodulationselements 250 dem Zusammendrücken oder Ausdehnen der Feder 196 mit Stellkraftfederkonstante entspricht, und somit die entsprechende Messkraft angibt.
Bei diversen Umsetzungen kann die Leiterplatte 150 an dem Schieber 130 in einem oder mehreren Montagebereichen der Leiterplatte 150 anliegen. Genauer gesagt, wie in 1 gezeigt, weist die Leiterplatte 150 Montagebereiche 157A und 157B auf, die an entsprechenden Montagebereichen 137A und 137B auf dem Schieber 130 anliegen. Zusätzlich kann sich ein Leitersignalaufnehmer (nicht gezeigt) des Schieberwegsensors 158 mit dem Skalenelement 102 in einer Skalenspur 126 überdecken, die sich in einer ersten seitlichen Richtung D1 von dem Montagebereich 157A entfernt befindet. Ferner kann mindestens ein Leitersignalaufnehmer (wie es nachstehend mit Bezug auf 4A, 4B und 5A bis 5D ausführlicher beschrieben wird) der Anordnung von Wegsignalelementen 205 des Kraftelement-Wegsensors 200 in einem Bereich angeordnet sein, der sich in einer entgegengesetzten seitlichen Richtung D2 von dem Montagebereich 157A entfernt befindet. Es versteht sich, dass bei dieser Konfiguration der Metallschieber 130 zusätzlich zu seinen üblichen Schieberfunktionen auch dazu dienen kann, gleichzeitige Signale für den Schieberwegsensor 158 und den Kraftelement-Wegsensor 220 voneinander abzuschirmen.
Bei diversen Ausführungsformen kann die Feder 196 mit Stellkraftfederkonstante eine einzige Feder sein oder kann aus getrennten Federabschnitten mit Federkonstante 196A und 196B bestehen, wie es nachstehend mit Bezug auf 2 beschrieben wird. Wie in 1 gezeigt, befindet sich die Feder 196 mit Stellkraftfederkonstante um den Führungsstab/das Führungslager 194 herum, der bzw. das in einem Führungsstabloch/Führungslagerloch 195 des Schiebers 130 aufgenommen wird. Wenn ein Benutzer die Einstellschraube 191 betätigt, um den Schieber 130 in Richtung auf das erste Ende des Skalenelements 102 zu bewegen, wird die Feder 196 mit Stellkraftfederkonstante (oder der Federabschnitt mit Federkonstante 196A aus 2) zusammengedrückt. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, ermöglicht es die Verwendung der Feder 196 mit Stellkraftfederkonstante (oder der Federabschnitte 196A und 196B), dass eine allmähliche Erhöhung oder Verringerung der Kraft über einen Bereich von Positionen auftritt. Es ist wichtig, dass dies zu größerer Kontrolle und einem angenehmeren „Gefühl” für einen Benutzer führt, wenn er versucht, Kontrolle auszuüben, um eine gewünschte Kraftmenge während eines Messprozesses bereitzustellen.
2 ist ein Diagramm in einer auseinandergezogenen Ansicht der Kraftsteller-Baugruppe 182 aus 1. Wie in 2 abgebildet, kann der Führungsstab/das Führungslager 194 bei einer Umsetzung zwischen zwei Federabschnitten 196A und 196B der Feder 196 mit Stellkraftfederkonstante befestigt sein, wobei es sich bei einigen Ausführungsformen auch um zwei getrennte Federn handeln kann. Die beiden Federabschnitte 196A und 196B mit Stellkraftfederkonstante befinden sich um den Führungsstab/das Lager 194 herum und liegen an einem Teiler 196C an (z. B. einem C-förmigen Haltering), der an dem Führungsstab/Lager 194 befestigt ist. Wenn ein Benutzer bei dieser Konfiguration die Einstellschraube 191 betätigt, um den Schieber 130 in Richtung auf das erste Ende des Skalenelements 102 zu bewegen, wird der Federabschnitt 196A mit Stellkraftfederkonstante zusammengedrückt (z. B. zum Messen der Außenabmessungen eines Werkstücks), ähnlich wie die Funktionsweise der Feder 196 mit Stellkraftfederkonstante aus 1. Wenn ein Benutzer jedoch die Einstellschraube 191 in die entgegengesetzte Richtung bewegt (d. h. um die Richtung des Schiebers 130 zu dem gegenüberliegenden Ende des Skalenelements 102 umzukehren), wird der Federabschnitt 196B mit Stellfederkonstante zusammengedrückt (z. B. zum Messen der Innenabmessungen eines Werkstücks). Auf diese Art und Weise wird eine bidirektionale Messkonfiguration durch die Verwendung der Federabschnitte 196A und 196B mit Federkonstante erreicht.
Bei einer beispielhaften Konfiguration kann die allgemeine Funktionsweise des Messschiebers 100 wie folgt beschrieben werden. Der Messschieber kann sich in einer Nullstellung befinden. In der Nullstellung befindet sich der Messschieber im Allgemeinen in der Mitte des bidirektionalen Messbereichs, wo die Federabschnitte 196A und 196B mit Stellkraftfederkonstante jeweils ungefähr gleich vorgespannt sind, und das Signalmodulationselement 250 befindet sich ungefähr in der Mitte des Bereichs der Anordnung von Wegsignalelementen 205 (d. h. wie es nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird). Wenn der Benutzer die Einstellschraube 191 betätigt, um den Federabschnitt 196A mit Federkonstante zusammenzudrücken, kann eine Grenzposition L-extmeas erreicht werden. Die Grenzposition L-extmeas kann einer externen Messkraftgrenze entsprechen (z. B. zum Messen der Außenabmessungen eines Werkstücks). Beispielsweise kann der zusammengedrückte Federabschnitt 196A seine feste Höhe erreichen und eine weitere Ablenkung des Signalmodulationselements 250 mit zunehmender ausgeübter Kraft verhindern, was eine sinnvolle Kraftmessung verhindert. Dies kann auch oder alternativ der Tatsache entsprechen, dass das Signalmodulationselement 250 ein erstes Ende des Aufnahmebereichs der Wegsignalelemente 205 erreicht.
Wenn die Einstellschraube 191 ähnlich von einem Benutzer in die entgegengesetzte Richtung bewegt wird, kann eine Grenzposition I-intmeas erreicht werden. Die Grenzposition I-intmeas kann einer internen Messkraftgrenze entsprechen (z. B. zum Messen der Innenabmessungen eines Werkstücks). Dies kann auch oder alternativ der Tatsache entsprechen, dass das Signalmodulationselement 250 ein zweites Ende des Aufnahmebereichs der Wegsignalelemente 205 erreicht. Die Enden des Aufnahmebereichs der Anordnung aus Wegsignalelementen 205 können durch die Grenzen eines Bereichs, in dem die sich ergebenden Sensorsignale eine gewünschte Linearität aufweisen, oder nach anderen Kriterien definiert werden. Der unerwünschte Bereich für die Federabschnitte 196A und 196B kann dadurch definiert werden, dass die Federn entweder relativ unempfindlich für die Kraft sind, weil sie ungefähr ihre feste Höhe erreicht haben, oder dass sie einen Punkt erreichen, an dem die Sensorsignale auf unannehmbare Art und Weise nicht linear werden, oder dergleichen.
Wenn bei einer spezifischen beispielhaften Umsetzung durch die Anordnung von Wegsignalelementen 205 erkannt wird, dass die Position des Signalmodulationselements 250 eine Stelle erreicht hat, die den Grenzpositionen L-extmeas oder I-intmeas entspricht, kann der Schaltkreis 159 zum Verarbeiten und Regeln von Lesekopfsignalen den „roten” bzw. „außer Bereich” Kraftstatusindikator (Leuchte) 142 aktivieren. Im normalen Betrieb kann der Schaltkreis 159 zum Verarbeiten und Regeln von Lesekopfsignalen konfiguriert sein, um im Allgemeinen die Position des Signalmodulationselements 250 zu erkennen und die Position in Kraftmessungen umzuwandeln. Die sich ergebenden Kraftmessungen können bei diversen Umsetzungen einem Benutzer in verschiedenen Formaten vorgelegt werden (z. B. als Kraftablesungen auf der Anzeige, als diverse andere Arten von Indikatoren, wenn Kraftgrenzen erreicht werden usw.).
Wie es in der übernommenen Anmeldung '225 ausführlicher beschrieben wird, versteht es sich, dass obwohl die bidirektionale Messkonfiguration aus 2 abgebildet ist, wie sie mit den beiden Federabschnitten 196A und 196B mit Stellkraftfederkonstante erreicht wird, auch andere Konfigurationen umgesetzt werden können. Beispielsweise kann bei einer alternativen Ausführungsform eine einzige Feder mit Stellkraftfederkonstante verwendet werden, die dauerhaft an beiden Enden angebracht ist. Eine derartige Konfiguration würde es ermöglichen, dass die notwendigen Kräfte durch Ziehen oder Drücken an der gleichen Feder erreicht werden. Bei einer spezifischen beispielhaften Abbildung, bei der die Messung die der Außenabmessungen des Werkstücks ist, könnte eine derartige Feder um 2 bis 4 mm zusammengedrückt werden, und zwar mit einer Kraft in dem Bereich von 3 bis 5 N. Für die Messungen der Innenabmessungen eines Werkstücks könnte die Feder um 2 bis 4 mm gedehnt werden, und zwar mit einer Kraft in dem Bereich von 3 bis 5 N. Im Allgemeinen wurde mit Bezug auf derartige Ausführungsformen und/oder die Ausführungsform aus 2 bei bestimmten spezifischen Umsetzungen experimentell bestimmt, dass es wünschenswert sein kann, Federn zu verwenden, die einen Nennwert von 0,25 N/mm bis 6 N/mm aufweisen, um bestimmte ergonomische Eigenschaften bereitzustellen. Es versteht sich, dass während eine kontrollierte Kraft ausgeübt wird, wenn ein Messschieber verwendet wird, im Allgemeinen einige Finger einer Hand die Messschieberskala ergreifen (wodurch der größte Teil der Hand mit Bezug auf den Messschieber festgelegt wird), ein Finger auch um den Schieber liegen kann, und sich ein Daumen mit Bezug auf die Hand bewegen kann, um den Kraftsteller mit Bezug auf den Schieber zu verstellen. Somit wird das praktische Ausmaß des Daumenwegs mit Bezug auf den Rest der Hand begrenzt. Im Allgemeinen stellt die Grenze von 0,25 N/mm sicher, dass ein nützliches Ausmaß an Kraftvariation innerhalb eines praktischen und angenehmen Daumenwegausmaßes mit Bezug auf den Rest der Hand bereitgestellt werden kann, während die obere Grenze von 6 N/mm sicherstellt, dass die Kraftvariation bei einer kleinen Bewegung des Daumens nicht so groß ist, dass der Benutzer sie als für eine einfache und stetige Kontrolle zu empfindlich empfindet, selbst für Werkstücke, die unter einer Messkraft abweichen und/oder sich verformen können. Mit anderen Worten wurde experimentell bestimmt, dass dieser Federkonstantenbereich einem Benutzer ein wünschenswertes Messgefühl vermittelt. Bei diversen Ausführungsformen können das Signalmodulationselement 250 und die Anordnung von Wegsignalelementen 205 entsprechend dimensioniert sein. Es versteht sich, dass durch die Verwendung von Hebeln oder Zahnrädern oder anderen bekannten Maschinenelementen die Beziehung zwischen Fingerbewegung und Kraft derart geändert werden kann, dass andere Federkonstanten (z. B. im Bereich von 0,05 bis 20 N/mm) bei anderen Ausführungsformen verwendet werden können. Bei einigen Ausführungsformen können andere Federarten (z. B. ein elastisches Polymermaterial) verwendet werden, um die Feder mit Kraftfederkonstante bereitzustellen.
3 ist ein Diagramm in einer auseinandergezogenen Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Kraftsteller-Baugruppe 382, wobei ein Signalmodulationselement 350 eines Kraftelement-Wegsensors 300 angebracht ist. Es versteht sich, dass diverse Bestandteile der Kraftsteller-Baugruppe 382, des Kraftelement-Wegsensors 300 und eines dazugehörigen Messschiebers 100' ähnlich sein können wie ähnlich nummerierte Bestandteile der Kraftsteller-Baugruppe 182, des Kraftelement-Wegsensors 200 und des dazugehörigen Messschiebers 100 aus 1 und 2, und es versteht sich, dass sie ähnlich funktionieren, soweit nachstehend nicht anderweitig beschrieben. Wie in 3 gezeigt, kann eine Kraftmess-Baugruppe 380 den Kraftelement-Wegsensor 300 und die Kraftsteller-Baugruppe 382 umfassen. Diverse Bestandteile der Kraftmess-Baugruppe 380 werden gezeigt, wie sie auf einem Schieber 130' des Messschiebers 100' montiert sind.
Der Kraftelement-Wegsensor 300 umfasst eine Anordnung von Wegsignalelementen 305, ein Signalmodulationselement 350, ein Kraftstellelement 352 und einen Verstellbegrenzungsstift 398. Das Kraftstellelement 352 umfasst die Innenflächen 352A und 352B, die den Verstellbegrenzungsstift 398 berühren können, um die Grenzen der Bewegung des Kraftstellelements 352 festzulegen. Wie es nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird, wird die Anordnung von Wegsignalelementen 305 in einer oder mehreren Metallschichten der Leiterplatte 150', die auf dem Schieber 130' getragen wird, hergestellt und erzeugt elektrische Signale, welche die Position des Signalmodulationselements 350 angeben. Ein Kraftaufnehmerkreis (z. B. als Teil des Schaltkreises 159 zum Verarbeiten und Regeln von Lesekopfsignalen) empfängt die Kraftaufnehmersignale von der Anordnung von Wegsignalelementen 305, um Kraftmessungen zu bestimmen.
Das Signalmodulationselement 350 ist an dem Kraftstellelement 352 angebracht, das mechanisch mit der Kraftsteller-Baugruppe 382 gekoppelt ist oder Teil davon ist. Die Kraftsteller-Baugruppe 382 umfasst eine Einstellschraube 391, einen Kraftsteller-Körper 392 und eine Parallelogramm-Aufhängung 396, die den Hauptunterschied gegenüber den Umsetzungen aus 1 und 2 darstellt, bei denen eine Feder 196 mit Federkonstante verwendet wurde. Wenn bei der Konfiguration aus 3 ein Benutzer die Einstellschraube 391 betätigt, um den Schieber 130' in Richtung auf das erste Ende eines Skalenelements des Messschiebers 100' zu bewegen, werden der Kraftstellelement 352 und das angebrachte Signalmodulationselement 350 nach vorne geschoben, um sich mit Bezug auf die Anordnung von Wegsignalelementen 305 zu bewegen. Die entsprechende Position des Signalmodulationselements 350 wird von der Anordnung von Wegsignalelementen 305 erkannt, wie es nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird.
Mit Bezug auf die Funktionsweise der Parallelogramm-Aufhängung 396, wenn ein Benutzer die Einstellschraube 391 betätigt, um den Schieber 130' in Richtung auf das erste Ende des Skalenelements des Messschiebers 100' zu bewegen, biegt sich die Parallelogramm-Aufhängung 396 nach vorne (z. B. zum Messen der Außenabmessungen eines Werkstücks). Wenn ein Benutzer die Einstellschraube 391 in die entgegengesetzte Richtung bewegt (d. h. um die Richtung des Schiebers 130' zu dem gegenüberliegenden Ende des Skalenelements des Messschieber 100' umzukehren), biegt sich die Parallelogramm-Aufhängung 396 nach hinten (z. B. zum Messen der Innenabmessungen eines Werkstücks). Bei einer Umsetzung können die Grenzen der Bewegung, die durch den Verstellbegrenzungsstift 398 festgelegt werden, der die Innenflächen 352A und 352B des Kraftstellelements 352 berührt, ähnlich funktionieren wie die Grenzpositionen L-extmeas und I-intmeas, die zuvor mit Bezug auf 2 beschrieben wurden. Somit wird eine bidirektionale Messkonfiguration durch die Verwendung der Parallelogramm-Aufhängung 396 erreicht, und zwar ohne die Notwendigkeit von Führungslagern oder dergleichen.
Ähnlich wie die Verwendung der Feder 196 mit Kraftfederkonstante 196, die zuvor mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben wurde, ermöglicht es die Verwendung der Parallelogramm-Aufhängung 396, dass eine allmählichere Erhöhung oder Verringerung der Kraft über einen größeren Positionsbereich erfolgt. Es ist wichtig, dass dies zu größerer Kontrolle und einem angenehmeren Gefühl für einen Benutzer führt, wenn er versucht, Kontrolle auszuüben, um eine gewünschte Kraftmenge während eines Messprozesses bereitzustellen. Des Weiteren kann die Verwendung der Parallelogramm-Aufhängung 396 die Anzahl der benötigten Einzelteile reduzieren und kann sich besser mit dem Schieber 130' integriert anfühlen.
4A und 4B sind Diagramme, die eine erste Ausführungsform eines Kraftelement-Wegsensors 400 abbilden, der auf ein Signalmodulationselement reagiert. Wie in 4A gezeigt, umfasst der Kraftelement-Wegsensor 400 eine Anordnung von Wegsignalelementen 405 und ein Signalmodulationselement 450. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kann die Anordnung von Wegsignalelementen 405 bei einer Umsetzung aus koplanaren induktiven Spulen bestehen, die in einer Metallschicht einer Leiterplatte hergestellt werden (z. B. der Leiterplatte 150 der Schieberbaugruppe 170). Bei einer Umsetzung kann die Leiterplatte mindestens zwei Metallschichten umfassen. Wie in 4A abgebildet, kann eine erste oder obere Schicht Spuren umfassen, um eine Reihe von Knoten N1 bis N4 mit Kraftaufnehmer- und Ansteuerschaltungen zu verbinden (z. B. wie sie in dem Schaltkreis 159 zum Verarbeiten und Regeln von Lesekopfsignalen enthalten sein können).
Wie in 4A gezeigt, ist der Knoten N1 mit einer Signalleitung SL1 gekoppelt, die ein Sensorsignal SEN1 bereitstellen kann. Der Knoten N2 ist mit einer Signalleitung SL2 gekoppelt, die ein Sensorsignal SEN2 bereitstellen kann. Die Knoten N3A und N3B sind zusammengekoppelt und können als gemeinsamer Knoten N3 bezeichnet werden, der mit einer Signalleitung SL3 gekoppelt ist, die ein Ansteuersignal DRV empfangen kann. Der Knoten N4 ist mit einer Signalleitung SL4 gekoppelt, die mit Masse GND gekoppelt ist.
Das Signalmodulationselement 450 kann aus einem gewünschten Material bestehen (z. B. aus einem eisenfreien Leiter, einem Ferritmaterial usw.), das in einem Bereich unter der Anordnung von Wegsignalelementen 405 bewegbar ist, um die Felder zu verstärken oder zu unterbrechen, die in der Nähe der Wegsignalelemente 405 erzeugt werden. Der Bereich RG kann ein erstes Ende E1 und ein zweites Ende E2 aufweisen. Wie es nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird, wenn sich das Signalmodulationselement 450 dem ersten Ende E1 des Bereichs RG nähert, kann es hauptsächlich auf das Sensorsignal SEN1 einwirken, wohingegen das Signalmodulationselement 450, wenn es sich dem zweiten Ende E2 des Bereichs RG nähert, hauptsächlich auf das Sensorsignal SEN2 einwirken kann. Wie es ebenfalls nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird, kann die Differenz zwischen den Sensorsignalen SEN1 und SEN2 verwendet werden, um die Position des Signalmodulationselements 450 unter der nächsten Anordnung von Wegsignalelementen 405 zu bestimmen. Eine Differenz stellt eine verbesserte Linearität und Robustheit gegenüber Gleichtaktfehlern bereit.
Wie in 4B gezeigt, kann eine zweite oder untere Metallschicht der Leiterplatte die Anordnung von Wegsignalelementen 405 umfassen (z. B. als gedruckte koplanare induktive Spulen). Die Anordnung von Wegsignalelementen 405 umfasst ein erstes Signalaufnehmer 410, ein zweites Signalaufnehmer 420 und die Signalansteuerelemente 430A und 430B (die zusammen als Signalansteuerelement 430 bezeichnet werden). Ein Ende des ersten Signalaufnehmers 410 ist mit dem Knoten N1 gekoppelt (d. h. es stellt das Sensorsignal SEN1 bereit), wohingegen das andere Ende mit dem Knoten N4 gekoppelt ist (d. h. es ist an Masse GND angeschlossen). Ein Ende des zweiten Signalaufnehmers 420 ist mit dem Knoten N2 gekoppelt (d. h. es stellt das Sensorsignal SEN2 bereit), wohingegen das andere Ende mit dem Knoten N4 gekoppelt ist (d. h. es ist an Masse GND angeschlossen). Ein Ende des Signalansteuerelements 430A ist mit dem Knoten N3A gekoppelt (d. h. es empfängt das Ansteuersignal DRV), wohingegen das andere Ende mit dem Knoten N4 gekoppelt ist (d. h. es ist an Masse GND angeschlossen). Ein Ende des Signalansteuerelements 430B ist mit dem Knoten N3B gekoppelt (d. h. es empfängt das Ansteuersignal DRV), wohingegen das andere Ende mit dem Knoten N4 gekoppelt ist (d. h. es ist an Masse GND angeschlossen). Die Funktionsweise der Anordnung von Wegsignalelementen 405 und des Signalmodulationselements 450 wird nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben.
5A bis 5D sind Diagramme, die eine zweite Ausführungsform eines Kraftelement-Wegsensors 500 abbilden, der auf ein Signalmodulationselement reagiert. Wie in 5A gezeigt, umfasst der Kraftelement-Wegsensor 500 eine Anordnung von Wegsignalelementen 505 und ein Signalmodulationselement 550. Es versteht sich, dass bestimmte Aspekte der Anordnung von Wegsignalelementen 505 ähnlich sein können wie die der Anordnung von Wegsignalelementen 405 der 4A und 4B und ähnlich funktionieren können, soweit nicht nachstehend anderweitig beschrieben. Für die Umsetzung aus 5A bis 5D kann die Anordnung von Wegsignalelementen 505 bei einer Umsetzung aus vier Metallschichten einer Leiterplatte hergestellt werden (z. B. der Leiterplatte 150 der Schieberbaugruppe 170). Wie in 5A gezeigt, kann eine erste bzw. obere Metallschicht Spuren umfassen, um eine Reihe von Knoten N1 bis N4 mit Kraftaufnehmer- und Ansteuerschaltungen zu verbinden (z. B. wie sie in dem Schaltkreis 159 zum Verarbeiten und Regeln von Lesekopfsignalen enthalten sind).
Wie in 5A gezeigt, sind bei einer Konfiguration ähnlich wie die aus 4A die Knoten N1, N2, N3 und N4 mit den Signalleitungen SL1, SL2, SL3 und SL4 gekoppelt, die jeweils mit den Signalen SEN1, SEN2, DRV und GND verknüpft sind. Der Knoten N3 ist ein kombinierter Knoten, der durch die Knoten N3A und N3B dargestellt wird, die miteinander gekoppelt sind. Wie in 5A angegeben, ist das Signalmodulationselement 550 in einem Bereich RG unter der Anordnung von Wegsignalelementen 505 bewegbar. Die Position des Signalmodulationselements 550 kann gemäß der Differenz zwischen den Sensorsignalen SEN1 und SEN2 bestimmt werden, wie es nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird.
5B, 5C und 5D bilden Bestandteile der Anordnung von Wegsignalelementen 505 ab, die jeweils in zweiten, dritten und vierten Metallschichten einer Leiterplatte hergestellt werden können. Wie in 5B und 5C gezeigt, können die ersten Signalaufnehmerabschnitte 510A und 510B planare Spulenabschnitte sein, die jeweils in den zweiten und dritten Metallschichten der Leiterplatte hergestellt werden. Ein Ende jedes der Signalaufnehmerabschnitte 510A und 510B ist mit einem gemeinsamen Knoten N1X gekoppelt, der sich durch die Schichten hindurch erstreckt. Das andere Ende des Signalaufnehmerabschnitts 510A ist mit dem Knoten N1 gekoppelt (d. h. um das Sensorsignal SEN1 bereitzustellen), und das andere Ende des Signalaufnehmerabschnitts 510B ist mit dem Knoten N4 gekoppelt (d. h. es ist mit Masse GND gekoppelt).
Wie ebenfalls in 5B und 5C gezeigt, können die zweiten Signalaufnehmerabschnitte 520A und 520B planare Spulenabschnitte sein, die jeweils in den zweiten und dritten Metallschichten der Leiterplatte hergestellt werden. Ein Ende jedes der Signalaufnehmerabschnitte 520A und 520B ist mit einem gemeinsamen Knoten N2X gekoppelt, der sich durch die Schichten hindurch erstreckt. Das andere Ende des Signalaufnehmerabschnitts 520A ist mit dem Knoten N2 gekoppelt (d. h. um das Sensorsignal SEN2 bereitzustellen), und das andere Ende des Signalaufnehmerabschnitts 520B ist mit dem Knoten N4 gekoppelt (d. h. es ist mit Masse GND gekoppelt).
Wie in 5D gezeigt, kann ein Paar von Signalansteuerelementen 530A und 530B aus planaren Spulen bestehen, die in der vierten Metallschicht der Leiterplatte hergestellt werden. Bei diversen Umsetzungen kann die vierte Metallschicht der Leiterplatte die Schicht sein, die sich im Betrieb in unmittelbarer Nähe zu dem Signalmodulationselement 550 befindet. Es kann ebenfalls wünschenswert sein, dass die Schicht, in der die Signalansteuerelemente 530A und 530B hergestellt werden, die dickste Metallschicht sind, um den Widerstand und die entsprechende notwendige Energie zum Ansteuern der Signalansteuerelemente 530A und 530B zu reduzieren. Ein Ende des Signalansteuerelements 530A ist mit dem Knoten N3A gekoppelt (d. h. zum Empfangen des Ansteuersignals DRV), wohingegen das andere Ende mit dem Knoten N4 gekoppelt ist (d. h. es ist an Masse GND angeschlossen). Ähnlich ist ein Ende des Signalansteuerelements 530B mit dem Knoten N3B gekoppelt (d. h. zum Empfangen des Ansteuersignals DRV), wohingegen das andere Ende mit dem Knoten N4 gekoppelt ist (d. h. es ist an Masse GND angeschlossen). Die Funktionsweise der Anordnung von Wegsignalelementen 505 und des Signalmodulationselements 550 wird nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben.
6 ist ein schematisches Diagramm, das diverse Betriebsgrundlagen eines Kraftelement-Wegsensors 600 abbildet und die Betriebsgrundlagen eines der Kraftelement-Wegsensoren 200 bis 500 aus 1 bis 5D erläutern kann. Wie in 6 gezeigt, kann bei einer Umsetzung der Kraftelement-Wegsensor 600 eine Anordnung von Wegsignalelementen 605 und ein Signalmodulationselement 650 umfassen. Die Anordnung von Wegsignalelementen 605 kann erste und zweite Signalaufnehmer 610 und 620 und Signalansteuerelemente 630A und 630B umfassen. Bei einer spezifischen beispielhaften Umsetzung können die ersten und zweiten Signalaufnehmer 610 und 620 und die Signalansteuerelemente 630A und 630B alle aus planaren spiralförmigen Spulen bestehen, die auf einer Leiterplatte gedruckt sind (z. B. der Leiterplatte 150 der Schieberbaugruppe 170). Bei diversen Umsetzungen können die Signalaufnehmer und Signalansteuerelemente in gleichen oder unterschiedlichen Metallschichten der Leiterplatte hergestellt werden. Beispielsweise können in einer Leiterplatte mit zwei Metallschichten die Signalaufnehmer und Signalansteuerelemente alle in der gleichen Metallschicht hergestellt werden (z. B. wie durch die Konfiguration aus 4A und 4B abgebildet). Als anderes Beispiel können in einer Leiterplatte mit vier Metallschichten die Signalaufnehmer und Signalansteuerelemente in verschiedenen Metallschichten hergestellt werden (z. B. wie durch die Konfiguration aus 5A bis 5D abgebildet). Das Signalmodulationselement 650 kann aus einem Kern bestehen (z. B. einem eisenfreien Leiter, wie etwa Aluminium oder Kupfer, oder aus einem Ferritmaterial usw.). Wie zuvor mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben, kann das Signalmodulationselement 650 mechanisch entlang einer Linie parallel zur Leiterplattenebene verschoben werden, wobei das Ausmaß der Verschiebung mit einem Ausmaß der Messkraft korreliert, die von einem Benutzer ausgeübt wird, um ein Objekt zu messen.
Bei einer spezifischen beispielhaften Umsetzung können die Signalansteuerelemente 630A und 630B (z. B. durch ein Ansteuersignal DRV am Knoten N3) mit einem ausgewählten Wellenformmuster (z. B. sinusförmig, fast sinusförmig mit einem gepulsten speicherresidenten Schaltkreis usw.) angesteuert werden. Das Ansteuern der Signalansteuerelemente 630A und 630B kann die Spannung jeweils an den ersten und zweiten Signalaufnehmern 610 und 620 induzieren. Bei einer spezifischen beispielhaften Umsetzung können Wirbelströme in dem Signalmodulationselement 650 auf die induktive Kopplung von den Signalansteuerelementen 630A und 630B jeweils zu den ersten und zweiten Signalaufnehmern 610 und 620 in Abhängigkeit von der linearen Position des Signalmodulationselements 650 einwirken. Die ersten und zweiten Signalaufnehmer 610 und 620 können somit bei bestimmten Umsetzungen als Induktionsvariatoren bezeichnet werden, wobei die Induktivität von der Position des Signalmodulationselements 650 abhängig ist.
Als spezifisches erläuterndes Beispiel, falls sich das Signalmodulationselement 650 an einem ersten Ende eines Bereichs befindet, in dem es sich hauptsächlich zwischen dem Signalansteuerelement 630A und dem ersten Signalaufnehmer 610 befindet, wirkt es hauptsächlich auf diese induktive Kopplung ein. Falls sich dagegen das Signalmodulationselement 650 an einem zweiten Ende eines Bereichs befindet, in dem es sich hauptsächlich zwischen dem Signalansteuerelement 630B und dem zweiten Signalaufnehmer 620 befindet, wirkt es hauptsächlich auf diese induktive Kopplung ein. Diese Wirkung auf die induktive Kopplung betrifft entsprechend die Größen der jeweiligen Sensorsignale SEN1 und SEN2 aus. Auf diese Art und Weise kann die Differenz zwischen den Sensorsignalen SEN1 und SEN2 (d. h. wie an den Knoten N1 und N2 gemessen) die Position des Signalmodulationselements 650, und somit das Ausmaß der Messkraft, die von dem Benutzer zum Messen eines Objekts ausgeübt wird, angeben. Es versteht sich, dass ein besonderer Vorteil einer Konfiguration, die eine induktive Kopplung verwendet, darin besteht, dass der Sensor im Allgemeinen für Verunreinigungen, wie etwa Schneidöl, Wasser, andere Fluide, Staub, ferromagnetische Teilchen usw., unempfindlich gemacht werden kann. Zusätzlich kann die offenbarte Konfiguration weniger Energie verwenden und kann in der Herstellung weniger kostspielig als andere Sensorkonfigurationen sein, die verwendet werden könnten, um die Messkraft in dem Messschieber zu bestimmen.
Bei einer Ausführungsform können die Signalansteuerelemente 630A und 630B aus zwei angrenzenden, koplanaren Spulen bestehen, die zueinander spiegelbildlich sind und die sich eine gemeinsame Stromquelle (z. B. das Ansteuersignal DRV am Knoten N3) und eine gemeinsame Masse (z. B. am Knoten N4) teilen. Bei einer derartigen Umsetzung kann der Strom in entgegengesetzten Richtungen durch die Signalansteuerelemente 630A und 630B fließen (z. B. jeweils im Gegenuhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn), so dass die Gesamtinduktivität maximiert wird. Die spiegelbildliche Herstellung der Signalansteuerelemente 630A und 630B trägt auch dazu bei sicherzustellen, dass die Sensorsignale SEN1 und SEN2 relativ symmetrisch sind. Die Signalansteuerelemente 630A und 630B können auch in der Metallschicht der Leiterplatte mit der größten Dicke hergestellt werden, um den Widerstand zu minimieren und entsprechend die Menge der notwendigen Ansteuerenergie zu minimieren. Bei einer Umsetzung können die Signalansteuerelemente 630A und 630B in der Metallschicht hergestellt werden, die im Betrieb dem Signalmodulationselement 650 am nächsten ist.
Bei diversen Umsetzungen kann die Anordnung von Wegsignalelementen 605 hergestellt werden, um in eine Grundfläche zu passen, wie sie durch den verfügbaren Platz in dem dazugehörigen Abschnitt (z. B. einem Daumenabschnitt) des Messschiebers 100 vorgeschrieben wird. Bei einer spezifischen beispielhaften Umsetzung können die Abmessungen relativ klein sein (z. B. 12 mm mal 6 mm), für welche die in 4A, 4B und 5A bis 5D abgebildeten Konfigurationen passend dimensioniert sein können.
Bei diversen Umsetzungen kann die Breite des Signalmodulationselements 650 etwas größer gemacht sein als die Breite der Anordnung von Wegsignalelementen 605, um diverse Fehlausrichtungen zu berücksichtigen, die vorkommen können. Zusätzlich kann die Länge des Signalmodulationselements 650 ungefähr die Hälfte der gesamten kombinierten Länge der Anordnung von Wegsignalelementen 605 sein, um den Bereich und die Linearität des Antwortsignals zu maximieren (z. B. wie durch die Differenz zwischen den Sensorsignalen SEN1 und SEN2 bestimmt). Bei einer spezifischen beispielhaften Umsetzung, bei der die gesamten Abmessungen der Anordnung von Wegsignalelementen 605 ungefähr 12 mm mal 6 mm betragen, kann das Signalmodulationselement 650 etwas größer ausgebildet sein als 6 mm mal 6 mm. Zusätzlich kann der ungefähre Bewegungsbereich für das Signalmodulationselement 650 ausgebildet sein, um von einer Position –3 mm (d. h. in der es sich hauptsächlich zwischen dem ersten Signalaufnehmer 610 und dem Signalansteuerelement 630A befindet) bis zu einer Position +3 mm (in der es sich hauptsächlich zwischen dem zweiten Signalaufnehmer 620 und dem Signalansteuerelement 630B befindet) zu reichen.
Das Signalmodulationselement 650 kann aus diversen Materialien ausgebildet sein (z. B. einem eisenfreien Leiter, einem Ferritmaterial usw.). Obwohl ein eisenhaltiges Material die induktive Kopplung erhöhen kann, wurde bei bestimmten Umsetzungen experimentell bestimmt, dass eine derartige Konfiguration zu einer geringeren ganzen Gesamtwirkung mit Bezug auf die Amplitude der Differenz der Sensorsignale SEN1 und SEN2 führt. Somit kann es bei bestimmten Umsetzungen wünschenswert sein, einen eisenfreien Leiter zu verwenden (z. B. Aluminium, Kupfer usw.), der die induktive Kopplung verringert, jedoch zu einer größeren Amplitude für die Differenz der Sensorsignale SEN1 und SEN2 führt. Bei einer spezifischen beispielhaften Umsetzung kann die Kerndicke auch je nach Leitfähigkeit und Ansteuerfrequenz bis zu einem Mehrfachen der Schichttiefe ausgebildet sein.
Bei diversen Umsetzungen kann der Kraftelement-Wegsensor 600 das Kraftansteuersignal DRV von dem gleichen Ansteuerkreis empfangen (z. B. als Teil des Schaltkreises 159 zum Verarbeiten und Regeln von Lesekopfsignalen), der ein Schieberansteuersignal für den Hauptschieber-Wegsensor (z. B. den Schieberwegsensor 158) bereitstellt. Bei einer Umsetzung können das Schieberansteuersignal und das Kraftansteuersignal während verschiedenen Taktzyklen für den Ansteuerkreis bereitgestellt werden, um jegliche Interferenz zwischen den diversen Signalen zu vermeiden. Im Allgemeinen versteht es sich, dass es die offenbarte Konfiguration ermöglicht, dass eine einzige Leiterplatte (z. B. die Leiterplatte 150) alle notwendigen Bestandteile und dazugehörigen Steuerschaltungen der Anordnung von Wegsignalelementen 605 und des Schieberwegsensors 158 enthält.
Obwohl die in 6 gezeigte Umsetzung erste und zweite Signalaufnehmer 610 und 620 zeigt, die getrennte Signale bereitstellen, versteht es sich, dass bei alternativen Umsetzungen die ersten und zweiten Signalaufnehmer 610 und 620 zu einer einzigen Spule mit einem einzigen Ausgang kombiniert sein können. Bei einer anderen alternativen Umsetzung kann ein einziger Leitersignalaufnehmer die Funktion sowohl eines Ansteuerelements als auch eines Aufnehmers erfüllen. Eine Änderung der komplexen Impedanz in diesem Signalaufnehmer kann ein Wegsignal bereitstellen.
Die zuvor beschriebenen diversen Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen bereitzustellen. Alle US-Patente und US-Patentanmeldungen, auf die in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen wird, werden hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen. Gewisse Aspekte der Ausführungsformen können gegebenenfalls geändert werden, um Konzepte der diversen Patente und Anmeldungen zu verwenden, um noch andere Ausführungsformen bereitzustellen.
Diese und andere Änderungen können an den Ausführungsformen angesichts der obigen ausführlichen Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sind in den nachstehenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe nicht als die Ansprüche auf die spezifischen Ausführungsformen, die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart werden, einschränkend auszulegen, sondern sind als alle möglichen Ausführungsformen zusammen mit dem vollen Umfang der Äquivalente, zu denen diese Ansprüche berechtigt sind, umfassend auszulegen.
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

US 5574381 [0003]
US 5973494 [0003]
US 2003/0047009 [0003, 0003, 0003, 0003, 0003]
US 5901458 [0020, 0020]
US 6400138 [0020]

Claims

Elektrisch betriebener Messschieber, umfassend: ein Skalenelement, das eine erste Messfläche umfasst, die während einer Messung an ein Werkstück zu halten ist; einen Schieber, der eine zweite Messfläche beinhaltet, die während einer Messung an ein Werkstück zu halten ist; einen Schieberwegsensor, der konfiguriert ist, um als Reaktion auf Änderungen einer Position des Schiebers entlang dem Skalenelement ein Positionssignal bereitzustellen, wobei der Schieberwegsensor einen Leitersignalaufnehmer umfasst, der auf einer Leiterplatte, die auf dem Schieber getragen wird, hergestellt wird; und eine Messkraft-Aufnehmeranordnung, die konfiguriert ist, um als Reaktion auf Änderungen einer Messkraft, die von einem Benutzer auf ein Werkstück über mindestens eine der ersten und zweiten Messflächen während eines Messvorgangs ausgeübt wird, ein Kraftsignal bereitzustellen, wobei: sich die Messkraft-Aufnehmeranordnung auf dem Schieber befindet und Folgendes umfasst: einen Kraftsteller, der sich mit Bezug auf die Leiterplatte bewegt; einen Kraftelement-Wegsensor, umfassend: mindestens einen Leitersignalaufnehmer, der mit Bezug auf die Leiterplatte festgelegt ist; mindestens ein Signalmodulationselement, das mit dem Kraftsteller gekoppelt ist und sich in der Nähe des mindestens einen Leitersignalaufnehmers befindet; und einen Kraftaufnehmerkreis, der sich auf der Leiterplatte befindet und mit dem mindestens einen Leitersignalaufnehmer gekoppelt ist.
Messschieber nach Anspruch 1, wobei der Kraftsteller ein starres Element umfasst, das mit einer Feder mit Kraftfederkonstante gekoppelt ist, die eine Abmessung aufweist, die von einem Benutzer durch den Kraftsteller geändert wird, um die Messkraft zu variieren.
Messschieber nach Anspruch 2, wobei das mindestens eine Signalmodulationselement mit dem Kraftsteller gekoppelt ist und konfiguriert ist, um sich gemäß der geänderten Abmessung und in der Nähe des mindestens einen Leitersignalaufnehmers zu bewegen.
Messschieber nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Leitsignalaufnehmer in einer Metallschicht der Leiterplatte, die auf dem Schieber getragen wird, hergestellt wird, und der Kraftaufnehmerkreis auf eine Position des mindestens einen Signalmodulationselements mit Bezug auf den mindestens einen Leitsignalaufnehmer reagiert.
Messschieber nach Anspruch 4, wobei der mindestens eine Leitsignalaufnehmer einen Induktionsvariator umfasst, der eine Induktivität aufweist, die von der Position des mindestens einen Signalmodulationselements abhängig ist.
Messschieber nach Anspruch 5, wobei der Kraftelement-Wegsensor ferner mindestens ein induktives Ansteuerelement umfasst, das mit dem mindestens einen Induktionsvariator induktiv gekoppelt ist, wobei die induktive Kopplung von der Position des mindestens einen Signalmodulationselement abhängig ist.
Messschieber nach Anspruch 6, wobei: der mindestens eine Induktionsvariator mindestens zwei planare Spulen umfasst, die in einer Metallschicht der Leiterplatte, die auf dem Schieber getragen wird, hergestellt werden, die mindestens zwei planaren Spulen im Verhältnis zueinander symmetrisch sind, und das mindestens eine Signalmodulationselement ungefähr die Hälfte von jeder der mindestens zwei planaren Spulen abdeckt, wenn es sich in einer Ruheposition befindet.
Messschieber nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine Induktionsvariator eine planare Signalspule umfasst, und das mindestens eine induktive Ansteuerelement eine planare Ansteuerspule umfasst, die in einer Metallschicht der Leiterplatte, die auf dem Schieber getragen wird, hergestellt wird.
Messschieber nach Anspruch 8, wobei: die planare Signalspule und die planare Ansteuerspule konfiguriert sind, um eine gemeinsame Fläche zu umgeben; und die planare Signalspule und die planare Ansteuerspule in der gleichen Metallschicht einer zweischichtigen Leiterplatte hergestellt werden oder in verschiedenen Metallschichten einer vierschichtigen Leiterplatte hergestellt werden.
Messschieber nach Anspruch 1, wobei: die Leiterplatte, die auf dem Schieber getragen wird, an dem Schieber in einem Montagebereich der Leiterplatte anliegt; sich der Leitersignalaufnehmer des Schieberwegsensors mit dem Skalenelement in einem Skalenbereich überdeckt, der sich in einer ersten seitlichen Richtung von dem Montagebereich entfernt befindet; und der mindestens eine Leitersignalaufnehmer des Kraftelement-Wegsensors in einem Bereich angeordnet ist, der sich in der entgegengesetzten seitlichen Richtung von dem Montagebereich entfernt befindet.