DE102015209288A1

DE102015209288A1 - Absolut-Positionsgeberskala mit Platten, die mit variierenden Vertiefungen abwechseln

Info

Publication number: DE102015209288A1
Application number: DE102015209288.7A
Authority: DE
Inventors: Ted Staton Cook
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2014-06-12
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2035-05-22
Also published as: US9267819B2; JP2016004041A; CN105300260B; JP6602566B2; DE102015209288B4; CN105300260A; US20150362336A1

Abstract

Es wird eine Skala eines Absolut-Positionsgebers bereitgestellt, die Skalenelemente aufweist (z. B. Platten und Plattenabsatzmerkmale, wie etwa Vertiefungen), die sich entlang dem Skalenmuster abwechseln. Mindestens eines der Skalenelemente weist ein Kennzeichen (z. B. eine Vertiefungstiefe) auf, das entlang dem Skalenmuster variiert wird, um eine andere jeweilige Wirbelstrom-Reaktion bereitzustellen. Ein Signalabschnitt eines Lesekopfes reagiert auf die jeweiligen Wirbelströme, um absolute Positionssignale auszugeben. Für die Plattenabsatzmerkmale kann das Kennzeichen, das variiert werden kann, eine Vertiefungstiefe, eine Größe einer nicht leitfähigen Fläche, eine Größe einer vertieften Fläche usw. sein. Als Beispiel für variierende Tiefe kann die Skala aus einem Vollmaterial (z. B. Aluminium) gebildet sein, in dem nach und nach tiefere vertiefte Tiefen entlang der Skala eingeschnitten werden. Für Plattenmerkmale kann das Kennzeichen, das variiert werden kann, eine Plattenhöhe, eine Größe einer Plattenfläche usw. umfassen.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Präzisionsmessinstrumente und insbesondere Absolut-Positionsgeberskalen, die bei Handgeräten, wie etwa Messschiebern, verwendet werden können.
Beschreibung der verwandten Technik
Diverse Bewegungs- oder Positionsmesswandler sind derzeit verfügbar, wie etwa optische, kapazitive, magnetische und induktive Messwandler. Diese Messwandler bedingen oft das Platzieren eines Senders und eines Empfängers in diversen geometrischen Konfigurationen, um eine Bewegung zwischen zwei Elementen des Messwandlers zu messen, die typischerweise einen Lesekopf und eine Skala umfassen. Ein Nachteil bestimmter optischer, kapazitiver und magnetischer Messwandler besteht darin, dass sie dazu neigen, für Verunreinigungen empfindlich zu sein. Daher ist die Verwendung derartiger Messwandler in den meisten Herstellungs- oder Werkstattumgebungen unpraktisch. Die Verwendung derartiger Messwandler in einer Werkstattumgebung benötigt teure und manchmal unzuverlässige umwelttechnische Versiegelungen oder andere Verfahren zum Einkapseln des Messwandlers, um zu verhindern, dass Staub, Öl und ferromagnetische Teilchen den Messwandler verunreinigen.
Das US-Patent Nr. 6,011,389 (das Patent '389), das hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, beschreibt einen Induktionsstrom-Positionsmesswandler, der bei hoch genauen Anwendungen verwendbar ist. Die US-Patente Nr. 5,973,494 (das Patent '494) und 6,002,250 (das Patent '250), die hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen werden, beschreiben induktive Inkremental-Messschieber und lineare Skalen, die Schaltungen zum Generieren und Verarbeiten von Signalen umfassen. Die US-Patente Nr. 5,886,519 , 5,841,274 und 5,894,678 , die hiermit jeweils zur Bezugnahme vollständig übernommen werden, beschreiben induktive Absolut-Messschieber und elektronische Bandmessungen, die diesen Induktionsstrom-Messwandler verwenden. Wie in diesen Patenten beschrieben, ist dieser Induktionsstrom-Messwandler unter Verwendung der bekannten Leiterplatten-Technologie mühelos herzustellen. Dieses Messwandlersystem ist im Allgemeinen auch immun gegen Verunreinigung durch Teilchen, wozu ferromagnetische Teilchen, Öl, Wasser und andere Fluide gehören.
Wie zuvor bemerkt, können verschiedene Umsetzungen des Induktionsstrom-Messwandlers (sowie der zuvor erwähnten optischen, kapazitiven und magnetischen Messwandler) entweder als Inkremental- oder als Absolut-Positionsgeber umgesetzt werden. Im Allgemeinen verwenden Inkremental-Positionsgeber eine Skalenstruktur, die es ermöglicht, die Verschiebung eines Lesekopfes mit Bezug auf eine Skala durch Ansammeln inkrementaler Verschiebungseinheiten ausgehend von einem Anfangspunkt entlang der Skala zu bestimmen. Derartige Codierer sind für bestimmte Anwendungen geeignet, insbesondere für solche, bei denen Netzstrom verfügbar ist. Bei bestimmten Anwendungen, wie etwa solchen, bei denen Codierer in Vorrichtungen mit geringem Stromverbrauch verwendet werden, ist es besonders wünschenswert, Absolut-Positionsgeber zu verwenden. Absolut-Positionsgeber stellen ein einzigartiges Ausgangssignal oder eine Kombination von Signalen in jeder Position entlang einer Skala bereit. Sie erfordern keine durchgehende Ansammlung inkrementaler Verschiebungen, um eine Position zu identifizieren. Somit ermöglichen Absolut-Positionsgeber diverse Stromsparmaßnahmen. Viele verschiedene Absolut-Positionsgeber sind bekannt, die diverse optische, kapazitive, magnetische und induktive Technologien verwenden, wie etwas diejenigen, die zuvor beschrieben wurden.
Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Patenten '519 ; '274 und '678 für den Absolut-Induktionsstrom-Messwandler, offenbaren die US-Patente Nr. 3,882,482 , 5,965,879 , 5,279,044 , 5,237,391 , 5,442,166 , 4,964,727 , 4,414,754 , 4,109,389 , 5,773,820 und 5,010,655 auch diverse Codiererkonfigurationen und/oder Signalverarbeitungstechniken, die für Absolut-Codierer relevant sind, und werden hiermit jeweils zur Bezugnahme vollständig übernommen. Viele dieser offenbarten Systeme sind jedoch nicht in der Lage, Konfigurationen zu lehren, die bestimmte Kombinationen von kompakter Größe, hoher Auflösung, Kosten und Robustheit bereitzustellen, einschließlich einer Fähigkeit, im Allgemeinen gegen Verunreinigung durch Teilchen (z. B. ferromagnetische Teilchen, Öl, Wasser und andere Fluide) immun zu sein, was von den Benutzern von Absolut-Codierern erwünscht ist. Verbesserte Konfigurationen von Absolut-Codierern, die derartige Kombinationen bereitstellen, wären wünschenswert.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Kurzdarstellung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form einzubringen, 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 eine Positionsmessvorrichtung bereitgestellt, die verwendbar ist, um eine Position eines ersten Elements im Verhältnis zu einem zweiten Element entlang einer Messachse zu messen. Die Positionsmessvorrichtung umfasst eine Skala und einen Lesekopf. Die Skala umfasst ein Skalenmuster, das sich in der Messachsenrichtung erstreckt. Der Lesekopf ist mit Bezug auf das Skalenmuster in der Messachsenrichtung bewegbar und umfasst einen Erregerabschnitt, der die Wirbelströme in dem Skalenmuster erregt, und einen Signalabschnitt, der Positionssignale ausgibt, die in Abhängigkeit von den Wirbelströmen variieren. Auf Grund der Verwendung von Wirbelströmen ist die Positionsmessvorrichtung im Allgemeinen immun gegen Verunreinigung durch Teilchen, wozu ferromagnetische Teilchen, Öl, Wasser und andere Fluide gehören.
Das Skalenmuster umfasst eine Vielzahl von ersten Skalenelementzonen und eine Vielzahl von zweiten Skalenelementzonen. Die Vielzahl von ersten Skalenelementzonen ist regelmäßig in der Messachsenrichtung angeordnet, und die ersten Skalenelementzonen umfassen einen ersten Typ von Skalenelement. Die Vielzahl von zweiten Skalenelementzonen ist regelmäßig in der Messachsenrichtung angeordnet und ist mit der Vielzahl von ersten regelmäßigen Skalenelementzonen derart verschachtelt, dass sich die ersten und zweiten Skalenelementzonen regelmäßig in der Messachsenrichtung gemäß einer Skalenwellenlänge P wiederholen. Die zweiten Skalenelementzonen umfassen einen zweiten Typ von Skalenelement, der ein Kennzeichen aufweist, das in einem absoluten Signalbereich entlang dem Skalenmuster variiert wird, um eine andere jeweilige Wirbelstromreaktion in verschiedenen jeweiligen zweiten Skalenelementzonen in dem absoluten Signalbereich bereitzustellen. Der Signalabschnitt des Lesekopfes reagiert auf die jeweiligen Wirbelströme, um absolute Positionssignale auszugeben, die einen Signalverlauf aufweisen, der über den absoluten Signalbereich variiert, um jeweilige Positionen über den absoluten Signalbereich einzigartig anzugeben. Bei diversen Umsetzungen kann der absolute Signalbereich mindestens 10× die Skalenwellenlänge P sein.
Bei diversen Umsetzungen kann der erste Typ von Skalenelement ein Plattenmerkmal umfassen (das z. B. in jeder der ersten Skalenelementzonen das gleiche ist), und der zweite Typ von Skalenelement kann ein Plattenabsatzmerkmal umfassen (das z. B. ein Kennzeichen aufweist, das in jeder der zweiten Skalenelementzonen entlang dem Skalenmuster variiert wird). Alternativ kann der erste Typ von Skalenelement bei anderen Umsetzungen ein Plattenabsatzmerkmal umfassen (das z. B. in jeder der ersten Skalenelementzonen entlang dem Skalenmuster das gleiche ist), und der zweite Typ von Skalenelement kann ein Plattenmerkmal umfassen (das z. B. ein Kennzeichen aufweist, das in jeder der zweiten Skalenelementzonen variiert wird). In beiden Fällen kann das Plattenmerkmal eine leitfähige Plattenfläche umfassen, und das Plattenabsatzmerkmal kann mindestens eine von einer nicht leitfähigen Fläche oder einer vertieften Fläche in einem Leiter umfassen.
Bei einer Umsetzung, bei welcher der zweite Typ von Skalenelement ein derartiges Plattenabsatzmerkmal umfasst, kann das Kennzeichen, das variiert wird, mindestens eines umfassen von a) der Größe der nicht leitfähigen Fläche, b) der Größe der vertieften Fläche oder c) der Vertiefungstiefe der vertieften Fläche. Alternativ kann bei einer Umsetzung, bei welcher der zweite Typ von Skalenelement ein Plattenmerkmal umfasst, das Kennzeichen, das variiert wird, mindestens eines umfassen von a) der Größe der Plattenfläche oder b) der Plattenhöhe. In beiden Fällen (d. h. ob der zweite Typ von Skalenelement nun derartige Plattenmerkmale oder Plattenabsatzmerkmale umfasst) kann mindestens ein Kennzeichen, das in dem absoluten Signalbereich variiert wird, gemäß einer Funktion (z. B. einer linearen Funktion) über den absoluten Signalbereich variiert werden.
Bei diversen Umsetzungen kann zusätzlich zu dem zweiten Typ von Skalenelement, der ein Kennzeichen aufweist, das variiert wird, der erste Typ von Skalenelement auch ein Kennzeichen aufweisen, das in dem absoluten Signalbereich über das Skalenmuster variiert wird, um eine andere jeweilige Wirbelstromreaktion in verschiedenen jeweiligen ersten Skalenelementzonen in dem absoluten Signalbereich bereitzustellen. Für den Fall, dass die ersten und zweiten Typen von Skalenelementen jeweils Plattenmerkmale und Plattenabsatzmerkmale oder umgekehrt umfassen, können sowohl die Plattenmerkmale als auch die Plattenabsatzmerkmale somit Kennzeichen aufweisen, die in dem absoluten Signalbereich über das Signalmuster variiert werden.
Bei diversen Umsetzungen kann der zweite Typ von Skalenelement ein leitfähiges Gebiet umfassen und das Plattenabsatzmerkmal kann in dem leitfähigen Gebiet gebildet sein. Bei diversen derartigen Konfigurationen kann das Skalenmuster in einem Skalenabschnitt gebildet sein, der mindestens eines von einer Leiterplatte, einer strukturierten dünnen Metallfolie, die entfernte Flächen umfasst, einer geformten dünnen Metallfolie, die Vertiefungen umfasst, die durch Verformen der dünnen Metallfolie gebildet werden, oder einem Metallmaterialstück, das Vertiefungen umfasst, die durch Entfernen des Metallmaterials gebildet werden, umfasst.
Bei einer Umsetzung kann die Positionsmessvorrichtung einen maximalen Messbereich aufweisen, und der absolute Signalbereich kann sich über den maximalen Messbereich erstrecken. Bei einer alternativen Umsetzung kann der absolute Signalbereich als erster absoluter Signalbereich bezeichnet werden, der sich über einen ersten Abschnitt des maximalen Messbereichs erstreckt, wobei sich ein zweiter absoluter Signalbereich, der ähnlich wie der erste absolute Signalbereich ist, über einen zweiten Abschnitt des maximalen Messbereichs erstreckt. Bei einer derartigen Umsetzung kann die Skala ferner einen Abschnitt zum Identifizieren eines absoluten Signalbereichs umfassen, der eine Bestimmung einer absoluten Position in dem maximalen Messbereich ermöglicht. Bei diversen Konfigurationen kann der Abschnitt zum Identifizieren eines absoluten Signalbereichs mindestens eines von einem zweiten Skalenmuster oder binären Code-Elementen entlang der Skala umfassen.
Bei diversen Umsetzungen können der Signalabschnitt und das Skalenmuster derart konfiguriert sein, dass mindestens ein Ausgangssignal auf der Skalenwellenlänge P periodisch ist, und der Signalverlauf kann einen Amplituden- oder DC-Versatz des periodischen Ausgangssignals umfassen. Bei diversen Umsetzungen können der Signalabschnitt und das Skalenmuster derart konfiguriert sein, dass der Signalverlauf der absoluten Positionssignale linear über den absoluten Signalbereich variiert.
Bei diversen Umsetzungen kann der Signalabschnitt des Lesekopfes einen oder mehrere Sensorabschnitte umfassen, der bzw. die Positionssignale ausgibt bzw. ausgeben, die in Abhängigkeit von den Wirbelströmen variieren. Als spezifisches erläuterndes Beispiel können vier Sensorabschnitte (z. B. für welche die Ausgangssignale mit A, B, A' und B' bezeichnet sind) enthalten sein, die entlang der Länge der Skala um P/4 beabstandet sind. Gemäß gewissen Signalverarbeitungstechniken kann ein inkrementales Positionssignal durch eine Formel (z. B. tan^–1((A-A')/(B-B'))) bestimmt werden, wohingegen ein absolutes Positionssignal durch eine andere Formel (z. B. A + B + A' + B') bestimmt werden kann.
Es versteht sich, dass eine Positionsmessvorrichtung, die Konfigurationen umfasst wie diejenigen, die hier beschrieben werden, diverse Vorteile gegenüber bestimmten früheren Systemen aufweist. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, können es derartige Konfigurationen beispielsweise einem einzigen Lesekopf-Signalabschnitt ermöglichen, Signale bereitzustellen, welche die Bestimmung sowohl inkrementaler als auch absoluter Positionssignale ermöglichen. Mit anderen Worten kann es sein, dass derartige Konfigurationen keine zweite Skalenspur und keinen entsprechenden zweiten Lesekopf-Signalabschnitt zum Lesen der zweiten Skalenspur benötigen, um sowohl inkrementale als auch absolute Positionssignale zu bestimmen. Derartige Konfigurationen können auch geringere Energieanforderungen aufweisen (z. B. weil sie keine Energie für einen zweiten Lesekopf-Signalabschnitt benötigen). Zusätzlich kann bei diversen Umsetzungen eine schmälere Skala verwendet werden, da eventuell keine zweite kollineare Skalenspur benötigt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein auseinandergezogenes Diagramm in isometrischer Ansicht eines Messschiebers nach Art eines Handgeräts, der eine Skala mit einem Skalenmuster umfasst.
2 ein Diagramm in isometrischer Ansicht eines Abschnitts der Skala aus 1, das Skalenelemente in ersten und zweiten Skalenelementzonen des Skalenmusters abbildet.
3A bis 3C Diagramme in Seitenansicht von alternativen Ausführungsformen eines Skalenmusters.
4 ein isometrisches Diagramm von Abschnitten eines Lesekopfes zum Messen einer Position mit Bezug auf ein Skalenmuster.
5A und 5B schematische Diagramme, die diverse Funktionsgrundlagen von alternativen Ausführungsformen eines Lesekopfes abbilden.
6A bis 6C Diagramme von Ausgangssignalen von einem Lesekopf, wie er jeweils mit den Skalenmustern aus 3A bis 3C kombiniert verwendet wird.
7A bis 7C Diagramme von sich ergebenden absoluten Positionssignalen, wie sie jeweils den Ausgangssignalen der 6A bis 6C und den Skalenmustern aus 3A bis 3C entsprechen.
8A bis 8G Diagramme von alternativen Ausführungsformen von Skalenmustern zusätzlich zu denen aus 3A bis 3C.
9A bis 9B Diagramme von Ausführungsformen von Dreh- oder Winkel-Skalenmustern ähnlich wie die aus 3A bis 3C.
10 ein Diagramm von zwei Skalenmustern, die zusammen auf einer Skala verwendet werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist ein auseinandergezogenes Diagramm in isometrischer Ansicht eines Messschiebers 100 nach Art eines Handgeräts, der eine Skala 102 mit einem Skalenmuster 170 umfasst. Wie in 1 gezeigt, kann die Skala 102 ein Substrat 168 umfassen, auf dem das Skalenmuster 170 gebildet oder angebracht sein kann und das aus einem starren oder halbstarren Stab bestehen kann, der einen im Allgemeinen rechteckigen Querschnitt aufweist. Ein Paar seitlich vorstehender feststehender Backen 108 und 110 ist einstückig in der Nähe eines ersten Endes 112 der Skala 102 gebildet. Ein entsprechendes Paar seitlich vorstehender bewegbarer Backen 116 und 118 ist auf einer Schieberbaugruppe 120 gebildet, die einen Lesekopf 164 umfasst.
Die Außenabmessungen eines Objekts werden gemessen, indem das Objekt zwischen ein Paar Eingriffsflächen 114 an den Backen 108 und 116 gesetzt wird. Ähnlich werden die Innenabmessungen eines Objekts gemessen, indem die Backen 110 und 118 in ein Objekt gesetzt werden. Die Eingriffsflächen 122 der Backen 110 und 118 sind positioniert, um die Oberflächen an dem zu messenden Objekt zu berühren. Die Eingriffsflächen 122 und 114 sind derart positioniert, dass wenn die Eingriffsflächen 114 der Backen 108 und 116 einander berühren, die Eingriffsflächen 122 der Backen 110 und 118 aufeinander ausgerichtet sind. In dieser Position sollte die Nullposition (nicht gezeigt) sowohl der Außen- als auch der Innenabmessungen, die von dem Messschieber 100 gemessen werden, gleich null sein.
Der Messschieber 100 umfasst auch eine Tiefenlehre 126, die an der Schieberbaugruppe 120 angebracht ist. Die Tiefenlehre 126 steht längs von der Skala 102 ab und endet an einem Eingriffsende 128. Die Länge der Tiefenlehre 126 ist derart, dass das Eingriffsende 128 mit einem zweiten Ende 132 der Skala 102 fluchtet, wenn sich der Messschieber 100 in der Nullposition befindet. Wenn man das zweite Ende 132 der Skala 102 auf eine Oberfläche legt, in der ein Loch gebildet ist, und die Tiefenlehre 126 in das Loch auszieht, bis das Ende 128 den Boden des Lochs berührt, kann der Messschieber 100 die Tiefe des Lochs messen.
Unabhängig davon, ob eine Messung erfolgt, indem die äußeren Messbacken 108 und 116, die inneren Messbacken 110 und 118 oder die Tiefenlehre 126 verwendet wird, wird die gemessene Abmessung auf einer herkömmlichen digitalen Anzeige 138 angezeigt, die in einer Abdeckung 139 der Schieberbaugruppe 120 eingebaut ist. Ein Paar Tastenschalter 134 und 136 ist ebenfalls in der Abdeckung 139 eingebaut. Der Schalter 134 schaltet eine elektronische Schaltung 166 zur Signalverarbeitung und Anzeige der Schieberbaugruppe 120 an und aus. Der Schalter 136 wird verwendet, um die Anzeige 138 auf null zurückzusetzen.
Wie in 1 gezeigt, umfasst die Schieberbaugruppe 120 eine Basis 140 mit einem Führungsrand 142. Der Führungsrand 142 berührt einen Seitenrand 146 der Skala 102, wenn die Schieberbaugruppe 120 die Skala 102 überspannt. Dies stellt den genauen Betrieb des Messschiebers 100 sicher. Ein Paar Schrauben 147 spannt einen nachgiebigen Druckstab 148 gegen einen passenden Rand der Skala 102 vor, um Spiel zwischen der Schieberbaugruppe 120 und der Skala 102 zu eliminieren.
Die Tiefenlehre 126 wird in eine Tiefenlehrennut 152 eingefügt, die auf einer Unterseite der Skala 102 gebildet ist. Die Tiefenlehrennut 152 erstreckt sich entlang der Unterseite der Skala 102, um Spielraum für die Tiefenlehre 126 bereitzustellen. Die Tiefenlehre 126 wird in der Tiefenlehrennut 152 an einem Endanschlag 154 gehalten. Der Endanschlag 154 ist an der Unterseite der Skala 102 an dem zweiten Ende 132 angebracht. Der Endanschlag 154 verhindert auch, dass sich die Schieberbaugruppe 120 im Betrieb ungewollt an dem zweiten Ende 132 aus der Skala 102 löst.
Die Schieberbaugruppe 120 umfasst auch eine Messwertgeber-Baugruppe 160, die auf der Basis 140 oberhalb der Skala 102 eingebaut ist. Somit bewegen sich die Basis 140 und die Messwertgeber-Baugruppe 160 als Einheit. Die Messwertgeber-Baugruppe 160 umfasst ein Substrat 162, wie etwa eine herkömmliche Leiterplatte. Das Substrat 162 trägt einen Wirbelstrom-Lesekopf 164 auf seiner unteren Oberfläche. Eine elektronische Schaltung 166 zur Signalverarbeitung und Anzeige ist auf einer oberen Oberfläche des Substrats 162 eingebaut. Eine nachgiebige Dichtung 162 ist zwischen der Abdeckung 139 und dem Substrat 162 komprimiert, um eine Verunreinigung der elektronischen Schaltung 166 zur Signalverarbeitung und Anzeige zu verhindern. Die Unterseite des Lesekopfes 164 ist mit einer dünnen, haltbaren Isolierschicht 167 bedeckt (die z. B. bei einem spezifischen erläuternden Beispiel ungefähr 50 mm dick sein kann).
Die Skala 102 umfasst ein Skalenmuster 170, das sich in der Messachsenrichtung MA erstreckt. Wie es nachstehend mit Bezug auf 2 ausführlicher beschrieben wird, kann das Skalenmuster 170 erste und zweite Skalenelementzonen umfassen, die in der Messachsenrichtung MA regelmäßig angeordnet sind und die jeweils erste und zweite Typen von Skalenelementen umfassen können. Eine schützende Isolierbeschichtung 172 (die z. B. bei einem spezifischen erläuternden Beispiel höchstens 100 mm dick sein kann), kann das Skalenmuster 170 bedecken. Die Schutzschicht 172 kann gedruckte Markierungen umfassen, wie in 1 gezeigt.
Die Schieberbaugruppe 120 trägt den Lesekopf 164, so dass er von der Skala 102 durch einen Luftspalt ein wenig getrennt ist, der zwischen den Isolierbeschichtungen 167 und 172 gebildet ist. Bei einem spezifischen erläuternden Beispiel kann der Luftspalt ungefähr 0,5 mm groß sein. Zusammen bilden der Lesekopf 164 und das Skalenmuster 170 einen Wirbelstrom-Messwandler, der bei einer Umsetzung dadurch funktioniert, dass er wechselnde Magnetfelder generiert. Die wechselnden Magnetfelder induzieren zirkulierende Ströme, die als Wirbelströme bezeichnet werden, in einigen der Skalenelemente des Skalenmusters 170, die in das wechselnde Magnetfeld gesetzt werden, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
2 ist ein Diagramm in isometrischer Ansicht eines Abschnitts der Skala 102 aus 1, das Skalenelemente in ersten und zweiten Skalenelementzonen des Skalenmusters 170 abbildet. In 2 ist eine abgebildete Vielzahl von ersten Skalenelementzonen FZ1 bis FZ7 in der Messachsenrichtung MA regelmäßig angeordnet. Die Vielzahl von zweiten Skalenelementzonen SZ1 bis SZ6 ist in der Messachsenrichtung MA ebenfalls regelmäßig angeordnet und ist mit der Vielzahl von ersten regelmäßigen Skalenelementzonen FZ1 bis FZ7 derart verschachtelt, dass sich die ersten und zweiten Skalenelementzonen in der Messachsenrichtung MA gemäß einer Skalenwellenlänge P regelmäßig wiederholen. Bei dem Beispiel aus 2 können die Flächen jeder der jeweiligen ersten und zweiten Skalenelementzonen ungefähr gleich sein, so dass die Abmessung in der Messachsenrichtung MA einer jeden ungefähr gleich der Hälfte der Skalenwellenlänge P ist. Es versteht sich, dass die Flächen und Breiten der ersten und zweiten Skalenelementzonen bei anderen Ausführungsformen unterschiedlich sein können.
Jede der ersten Skalenelementzonen umfasst einen ersten Typ von Skalenelement und jede der zweiten Skalenelementzonen umfasst einen zweiten Typ von Skalenelement. Genauer gesagt ist bei dem Beispiel aus 2 der erste enthaltene Typ von Skalenelement ein Plattenmerkmal, wobei jede der abgebildeten ersten Skalenelementzonen FZ1 bis FZ7 eine jeweilige leitfähige Plattenfläche P1 bis P7 umfasst. Der zweite Typ von Skalenelement ist ein Plattenabsatzmerkmal, wobei jede der abgebildeten zweiten Skalenelementzonen SZ1 bis SZ6 eine jeweilige vertiefte Fläche R1 bis R6 umfasst. Bei einer anderen Umsetzung könnte als anderes Beispiel eines Plattenabsatzmerkmals eine nicht leitfähige Fläche in jeder der zweiten Skalenelementzonen SZ1 bis SZ6 enthalten sein.
Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, weisen die vertieften Flächen R1 bis R6 jeweils ein Kennzeichen auf, das in einem absoluten Signalbereich entlang dem Skalenmuster variiert wird, um eine andere jeweilige Wirbelstromreaktion in verschiedenen jeweiligen zweiten Skalenelementzonen SZ1 bis SZ6 in einem absoluten Signalbereich bereitzustellen. Genauer gesagt wird, wie in 2 abgebildet, die Vertiefungstiefe jeder der vertieften Flächen R1 bis R6 gezeigt, wie sie von der ersten abgebildeten vertieften Fläche R1 bis zu der letzten abgebildeten vertieften Fläche R6 zunimmt. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, stellt dieser Unterschied der vertieften Tiefe unterschiedliche Wirbelstromreaktionen bereit, und ein Signalabschnitt eines Lesekopfes, der auf die jeweiligen Wirbelströme anspricht, kann entsprechend absolute Positionssignale ausgeben, die einen Signalverlauf aufweisen, der über einen absoluten Signalbereich variiert, um jeweilige Positionen über den absoluten Signalbereich einzigartig anzugeben.
Bei diversen Umsetzungen kann bzw. können die Skala 102 und/oder das Skalenmuster 170 unter Verwendung diverser Techniken hergestellt werden. Beispielsweise kann das Substrat 168 bei einer Umsetzung aus einem leitfähigen Vollmaterial (z. B. Aluminium) gebildet sein. In diesem Fall können die vertieften Flächen R1 bis R6 gebildet werden, indem nach und nach tiefere waagerechte Schnitte in dem Substrat 168 vorgenommen werden. Das Substrat 168 kann dann mit der zuvor mit Bezug auf 1 beschriebenen Schutzschicht 172 bedeckt werden.
3A bis 3C sind Diagramme in Seitenansicht von verschiedenen alternativen Ausführungsformen der Skalenmuster 370A bis 370C. Es versteht sich, dass die Skalenmuster 370A bis 370C gewisse Kennzeichen aufweisen können, die ähnlich sind wie die des Skalenmusters 170 aus 2, und es versteht sich, dass sie ähnlich funktionieren, soweit nachstehend nicht anderweitig beschrieben. Wie in 3A bis 3C gezeigt, umfassen die Skalenmuster 370A bis 370C jeweils eine Vielzahl von ersten Skalenelementzonen FZ1 bis FZ9 und eine Vielzahl von zweiten Skalenelementzonen SZ1 bis SZ8. Ähnlich wie bei dem Skalenmuster 170 sind in den Skalenmustern 370A bis 370A die abgebildete Vielzahl von ersten Skalenelementzonen FZ1 bis FZ9 und die abgebildete Vielzahl von zweiten Skalenelementzonen SZ1 bis SZ8 in der Messachsenrichtung MA regelmäßig angeordnet. Die ersten und zweiten Skalenelementzonen sind auch derart verschachtelt, dass sich die ersten und zweiten Skalenelementzonen in der Messachsenrichtung MA gemäß einer Skalenwellenlänge P regelmäßig wiederholen. Die Breite jeder der ersten und zweiten Skalenelementzonen ist ungefähr die gleiche, so dass die Breite einer jeden ungefähr gleich der Hälfte der Skalenwellenlänge P ist.
Wie in 3A gezeigt, umfasst in dem Skalenmuster 370A jede der abgebildeten ersten Skalenelementzonen FZ1 bis FZ9 eine jeweilige leitfähige Plattenfläche P1A bis P9A, und jede der abgebildeten zweiten Skalenelementzonen SZ1 bis SZ8 umfasst eine jeweilige vertiefte Fläche R1A bis R8A. Die Vertiefungstiefe jeder der vertieften Flächen R1A bis R8A wird gezeigt, wie sie von der ersten abgebildeten vertieften Fläche R1 bis zu der letzten abgebildeten vertieften Fläche R8 gemäß einer linearen Funktion zunimmt, wie durch einen geraden gestrichelten Pfeil 310A angegeben. Die leitfähigen Plattenflächen P1A bis P9A werden gezeigt, wie sie in jeder der ersten Skalenelementzonen FZ1 bis FZ9 gleich sind. Wie es nachstehend mit Bezug auf 6A und 7A ausführlicher beschrieben wird, führt diese Konfiguration bei einer Umsetzung zu einem Ausgangssignal von einem Lesekopf-Sensorabschnitt, für den die oberen Signalspitzen im Allgemeinen entlang einer geraden waagerechten Linie fallen, wohingegen die unteren Signalspitzen im Allgemeinen entlang einer gebogenen Linie fallen, und ein sich ergebender absoluter Positionssignalverlauf ebenfalls gebogen ist.
Wie in 3B gezeigt, umfasst in dem Skalenmuster 370B jede der abgebildeten ersten Skalenelementzonen FZ1 bis FZ9 eine jeweilige leitfähige Plattenfläche P1A bis P9A, und jede der abgebildeten zweiten Skalenelementzonen SZ1 bis SZ8 umfasst eine jeweilige vertiefte Fläche R1B bis R83. Die Vertiefungstiefe jeder der vertieften Flächen R1B bis R83 wird gezeigt, wie sie von der ersten abgebildeten vertieften Fläche R1 bis zu der letzten abgebildeten vertieften Fläche R8 gemäß einer gebogenen Funktion zunimmt, wie durch einen gebogenen gestrichelten Pfeil 310B angegeben. Die leitfähigen Plattenflächen P1B bis P93 werden gezeigt, wie sie in jeder der ersten Skalenelementzonen FZ1 bis FZ9 gleich sind. Wie es nachstehend mit Bezug auf 6B und 7B ausführlicher beschrieben wird, führt diese Konfiguration bei einer Umsetzung zu einem Ausgangssignal von einem Lesekopf-Sensorabschnitt, für den die oberen Signalspitzen im Allgemeinen entlang einer geraden waagerechten Linie fallen, wohingegen die unteren Signalspitzen im Allgemeinen entlang einer geraden Linie fallen, die nach unten abgewinkelt ist, und das sich ergebende absolute Positionssignal ebenfalls im Allgemeinen nach unten abgewinkelt ist, jedoch auf der Skalenwellenlänge P auch gewissermaßen periodisch ist.
Wie in 3C gezeigt, umfasst in dem Skalenmuster 370C jede der abgebildeten ersten Skalenelementzonen FZ1 bis FZ9 eine jeweilige leitfähige Plattenfläche P1C bis P9C, und jede der abgebildeten zweiten Skalenelementzonen SZ1 bis SZ8 umfasst eine jeweilige vertiefte Fläche R1C bis R8C. Die Vertiefungstiefe jeder der vertieften Flächen R1C bis R8C wird gezeigt, wie sie von der ersten abgebildeten vertieften Fläche R1C bis zu der letzten abgebildeten vertieften Fläche R8C gemäß einer gebogenen Funktion zunimmt, wie durch einen gebogenen gestrichelten Pfeil 310C angegeben. Zusätzlich wird bei dieser Umsetzung eine Höhe der leitfähigen Plattenflächen P1C bis P9C gezeigt, wie sie von der ersten abgebildeten leitfähigen Plattenfläche P1C bis zu der letzten leitfähigen Plattenfläche P9C gemäß einer ungefähr linearen Funktion abnimmt, wie durch einen geraden gestrichelten Pfeil 309C angegeben. Es versteht sich jedoch, dass alternativ eine gewünschte nicht lineare Funktion verwendet werden kann, wie hier bei den anderen Ausführungsformen angegeben. Es versteht sich, dass obwohl die Höhe der leitfähigen Plattenflächen abnimmt, sich der Lesekopf im Verhältnis zu dem Skalenmuster 370C weiterhin auf einer Ebene L1 bewegt. Sobald sich der Lesekopf beispielsweise über der leitfähigen Plattenfläche P9C befindet, die eine Höhe von L2 aufweist, ist der Abstand des Lesekopfes der normale Spaltabstand sowie ein Abstand DL1L2 = L1 – L2. Wie es nachstehend mit Bezug auf 6C und 7C ausführlicher beschrieben wird, ergibt diese Konfiguration des Skalenmusters 370C bei einer Umsetzung ein Ausgangssignal von einem Lesekopf-Sensorabschnitt, für den die oberen Signalspitzen im Allgemeinen entlang einer geraden Linie fallen, die nach unten abgewinkelt ist, und die unteren Signalspitzen im Allgemeinen entlang einer geraden Linie fallen, die ähnlich nach unten abgewinkelt ist, wobei die Unterschiede von Spitze zu Spitze somit eine relativ konstante Amplitude über den Messbereich aufweisen, und das sich ergebende absolute Positionssignal ebenfalls ungefähr linear und nach unten abgewinkelt ist.
4 ist ein isometrisches Diagramm von Abschnitten eines Lesekopfes 405 zum Messen einer Position mit Bezug auf ein Skalenmuster 470. Es versteht sich, dass das Skalenmuster 470 ähnliche Kennzeichen aufweisen kann, und es versteht sich, dass es ähnlich funktioniert wie eines oder mehrere der Skalenmuster 170 und 370A bis 370C, soweit nachstehend nicht anderweitig beschrieben. Wie in 4 gezeigt, umfasst der Lesekopf 405 die Erregerabschnitte 430A und 430B, um Wirbelströme in dem Skalenmuster 470 zu erregen, und die ersten und zweiten Sensorabschnitte 410A und 410B, die Positionssignale ausgeben, die in Abhängigkeit von den Wirbelströmen variieren. Die ersten und zweiten Sensorabschnitte 410A und 410B sind als Teil eines Signalabschnitts 410 des Lesekopfes 405 enthalten. Obwohl zur Vereinfachung der vorliegenden Erklärung der Signalabschnitt 410 abgebildet ist, wie er nur zwei Sensorabschnitte aufweist, versteht es sich, dass bei anderen Umsetzungen eine andere Anzahl von Sensorabschnitten verwendet werden kann (z. B. vier Sensorkanäle, die um P/4 beabstandet sind), wie es nachstehend mit Bezug auf 6A bis 6C und 7A bis 7C ausführlicher beschrieben wird.
Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, können die ersten und zweiten Sensorabschnitte 410A und 410B und die Erregerabschnitte 430A und 430B des Lesekopfes 405 bei einer Umsetzung aus koplanaren Induktionsspulen bestehen, die in einer Metallschicht einer Leiterplatte angefertigt werden (z. B. einer Leiterplatte 162 der Schieberbaugruppe 120 aus 1). Bei einer Umsetzung kann die Leiterplatte mindestens zwei Metallschichten umfassen. Wie in 4 abgebildet, kann eine erste oder obere Schicht Leiterbahnen umfassen, um eine Reihe von Knoten N1 bis N4 mit Positionsmess- und Steuerschaltungen zu verbinden (wie sie z. B. in der elektronischen Schaltung 166 zur Verarbeitung und Anzeige der Schieberbaugruppe 120 enthalten sein können).
Der Knoten N1 ist mit einer Signalleitung SL1 gekoppelt, die ein Positionssignal SEN1 bereitstellen kann. Der Knoten N2 ist mit einer Signalleitung SL2 gekoppelt, die ein Positionssignal SEN2 bereitstellen kann. Die Knoten N3A und N3B sind zusammen gekoppelt und können als gemeinsamer Knoten N3 bezeichnet werden, der mit einer Signalleitung SL3 gekoppelt ist, die ein Erregersignal DRV empfangen kann. Der Knoten N4 ist mit einer Signalleitung SL4 gekoppelt, die mit Masse GND gekoppelt ist.
Wie ferner in 4 gezeigt, kann eine zweite oder untere Metallschicht der Leiterplatte die ersten und zweiten Sensorabschnitte 410A und 410B und die Erregerabschnitte 430A und 430B umfassen (z. B. als gedruckte koplanare Induktionsspulen). Die Erregerabschnitte 430A und 430B können manchmal zusammen als ein einziger Erregerabschnitt des Lesekopfes 405 bezeichnet werden. Wie in 4 abgebildet, ist ein Ende des ersten Sensorabschnitts 410A mit dem Knoten N1 gekoppelt (d. h. es stellt das Positionssignal SEN1 bereit), wohingegen das andere Ende mit dem Knoten N4 gekoppelt ist (d. h. es ist an Masse GND angeschlossen). Ein Ende des zweiten Sensorabschnitts 410B ist mit dem Knoten N2 gekoppelt (d. h. es stellt das Positionssignal SEN2 bereit), wohingegen das andere Ende mit dem Knoten N4 gekoppelt ist (d. h. es ist an Masse GND angeschlossen). Ein Ende des Erregerabschnitts 430A ist mit dem Knoten N3A gekoppelt (d. h. es empfängt das Erregersignal DRV), wohingegen das andere Ende mit dem Knoten N4 gekoppelt ist (d. h. es ist an Masse GND angeschlossen). Ein Ende des Erregerabschnitts 430B ist mit dem Knoten N3B gekoppelt (d. h. es empfängt das Erregersignal DRV), wohingegen das andere Ende mit dem Knoten N4 gekoppelt ist (d. h. es ist an Masse GND angeschlossen). Die Funktionsweise des Lesekopfes 405 und des Skalenmusters 470 wird nachstehend mit Bezug auf 5A ausführlicher beschrieben.
Wie in 4 gezeigt, umfasst das Skalenmuster 470 leitfähige Plattenflächen P1 bis P3 in jeweiligen ersten Skalenelementzonen und vertiefte Flächen R1 bis R3 in jeweiligen zweiten Skalenelementzonen. Wie es nachstehend mit Bezug auf 5A ausführlicher beschrieben wird, wenn der Lesekopf 405 derart bewegt wird, dass eine der vertieften Flächen R1 bis R3 hauptsächlich unter dem Sensorabschnitt 410A zentriert wird, kann die jeweilige vertiefte Fläche hauptsächlich das Positionssignal SEN1 beeinflussen. Falls ähnlich der Lesekopf derart bewegt wird, dass eine der vertieften Flächen R1 bis R3 hauptsächlich unter dem Sensorabschnitt 410B zentriert wird, kann die jeweilige vertiefte Fläche hauptsächlich das Positionssignal SEN2 beeinflussen. Wie es nachstehend ebenfalls mit Bezug auf 5A ausführlicher beschrieben wird, kann die Differenz zwischen den Positionssignalen SEN1 und SEN2 verwendet werden, um die Position des Skalenmusters 470 mit Bezug auf den Lesekopf 405 zu bestimmen. Eine Differenz kann eine verbesserte Linearität und Robustheit gegenüber Gleichtaktfehlern bereitstellen.
Es versteht sich, dass obwohl der Einfachheit halber das Beispiel aus 4 eine Konfiguration erläutert hat, bei welcher der Lesekopf-Signalabschnitt 410 zwei Sensorabschnitte 410A und 410B umfasst, die um P/2 entlang der Länge der Skala beabstandet sind, bei anderen Umsetzungen andere Anzahlen von Sensorabschnitten enthalten sein können (z. B. 1, 3, 4 usw.). Beispielsweise kann bei einer anderen Konfiguration der Signalabschnitt des Lesekopfes vier Sensorabschnitte (für welche die Ausgangssignale z. B. mit A, B, A' und B' bezeichnet sind) umfassen, die um P/4 entlang der Länge der Skale beabstandet sind. Wie es nachstehend mit Bezug auf 6A bis 6C und 7A bis 7C ausführlicher beschrieben wird, kann gemäß gewissen Signalverarbeitungstechniken bei einer derartigen beispielhaften Konfiguration ein inkrementales Positionssignal durch eine Formel bestimmt werden (z. B. tan^–1((A-A')/(B-B'))), wohingegen ein absolutes Positionssignal durch eine andere Formel bestimmt werden kann (z. B. A + B + A' + B').
5A und 5B sind schematische Diagramme, die diverse Funktionsgrundlagen von alternativen Ausführungsformen eines Lesekopfes abbilden. 5A ist ein schematisches Diagramm, das diverse Funktionsgrundlagen eines Lesekopfes 505A abbildet, das die Funktionsgrundlagen des Lesekopfes 405 aus 4 erläutern kann. Wie in 5A gezeigt, kann der Lesekopf 505A bei einer Umsetzung erste und zweite Sensorabschnitte 510A und 510B und Erregerabschnitte 530A und 530B umfassen. Die ersten und zweiten Sensorabschnitte 510A und 510B sind als Teil eines Signalabschnitts 510 enthalten, wohingegen die Erregerabschnitte 530A und 530B als Teil eines Erregerabschnitts 530 des Lesekopfes 505A enthalten sind. Bei einer spezifischen beispielhaften Umsetzung können die ersten und zweiten Sensorabschnitte 510A und 510B und die Erregerabschnitte 530A und 530B alle aus planaren Spiralspulen bestehen, die auf einer Leiterplatte gedruckt sind (z. B. der Leiterplatte 162 der Schieberbaugruppe 120 aus 1). Bei diversen Umsetzungen können die Sensorabschnitte und die Erregerabschnitte in den gleichen oder unterschiedlichen Metallschichten der Leiterplatte angefertigt sein. Beispielsweise können in einer Leiterplatte mit zwei Metallschichten die Sensorabschnitte und die Erregerabschnitte alle in der gleichen Metallschicht angefertigt sein (z. B. wie durch die Konfiguration von 4 abgebildet). Als anderes Beispiel können bei einer Leiterplatte mit vier Metallschichten die Sensorabschnitte und die Erregerabschnitte in verschiedenen Metallschichten angefertigt sein. Bei einer spezifischen beispielhaften Umsetzung kann ein Skalenmuster 570, das eine Vielzahl von Skalenelementen 570E umfasst, aus einem leitfähigen Vollmaterial (z. B. Aluminium) gebildet werden.
Bei einer spezifischen beispielhaften Umsetzung können die Erregerabschnitte 530A und 530B (z. B. durch ein Erregersignal DRV am Knoten N3) mit einem ausgewählten Wellenformmuster (z. B. sinusförmig, fast sinusförmig mit einem Impulsschwingkreis usw.) angesteuert werden. Das Ansteuern der Erregerabschnitte 530A und 530B kann die Spannung jeweils an den ersten und zweiten Sensorabschnitten 510A und 510B induzieren. Bei einer spezifischen beispielhaften Umsetzung können sich Wirbelströme in dem Skalenelement 570E auf die induktive Kopplung der Erregerabschnitte 530A und 530B in jeweils mit den ersten und zweiten Sensorabschnitten 510A und 510B auswirken, in Abhängigkeit von der linearen Position des Skalenelements 570E. Die ersten und zweiten Sensorabschnitte 510A und 510B können somit bei bestimmten Umsetzungen als variable Induktionselemente bezeichnet werden, wobei die Induktivität von der Position des Skalenelements 570E abhängt.
Wie zuvor mit Bezug auf 2 bis 4 beschrieben, kann das Skalenmuster 570 erste und zweite Typen von Skalenelementen 570E (z. B. Plattenflächen und vertiefte Flächen) umfassen, die sich in der Messachsenrichtung MA regelmäßig abwechseln. Zur Vereinfachung der vorliegenden Erläuterung und Erklärung ist in 5A nur ein einziges Skalenelement 570E abgebildet (das z. B. entweder eine Plattenfläche oder eine vertiefte Fläche darstellt), die sich in der Nähe der ersten und zweiten Sensorabschnitte 510A und 510B und der Erregerabschnitte 530A und 530B befindet.
Falls als spezifisches erläuterndes Beispiel das Skalenelement 570E hauptsächlich auf den Erregerabschnitt 530A und den ersten Sensorabschnitt 510A ausgerichtet ist, wirkt es sich hauptsächlich auf diese induktive Kopplung aus. Falls das Skalenelement 570E dagegen hauptsächlich auf den Erregerabschnitt 530B und den zweiten Sensorabschnitt 510B ausgerichtet ist, wirkt es sich hauptsächlich auf diese induktive Kopplung aus. Diese Wirkung auf die induktive Kopplung wirkt sich entsprechend auf die Größen der jeweiligen Positionssignale SEN1 und SEN2 aus. Auf diese Art und Weise kann die Differenz zwischen den Positionssignalen SEN1 und SEN2 (d. h. wie an den Knoten N1 und N2 gemessen), die Position des Skalenelements 570E und des entsprechenden Skalenmusters 570 angeben. Es versteht sich, dass ein besonderer Vorteil einer Konfiguration, die einen Wirbelstrom-Lesekopf auf diese Art und Weise verwendet, darin besteht, dass die Positionsmessvorrichtung für Verunreinigungen, wie etwa Schneidöl, Wasser, andere Fluide, Staub, ferromagnetische Teilchen usw. allgemein unempfindlich gemacht werden kann. Zusätzlich kann die offenbarte Konfiguration weniger Energie verwenden und kann weniger kostspielig zu produzieren sein als andere Sensorkonfigurationen, die für eine Positionsmessvorrichtung verwendet werden könnten.
Bei einer Ausführungsform können die Erregerabschnitte 530A und 530B aus zwei angrenzenden, koplanaren Spulen bestehen, die Spiegelbilder voneinander sind und die sich eine gemeinsame Stromquelle (z. B. das Erregersignal 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 Erregerabschnitte 530A und 530B fließen (z. B. jeweils im Gegenuhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn), so dass die Gesamtinduktivität maximiert wird. Das Anfertigen der Erregerabschnitte 530A und 530B als Spiegelbilder voneinander trägt auch dazu bei sicherzustellen, dass die Positionssignale SEN1 und SEN2 relativ symmetrisch sind. Die Erregerabschnitte 530A und 530B können ebenfalls in der Metallschicht der Leiterplatte mit der größten Dicke angefertigt werden, um den Widerstand zu minimieren und entsprechend das Ausmaß der notwendigen Ansteuerungsenergie zu minimieren. Bei einer Umsetzung können die Erregerabschnitte 530A und 530B in der Metallschicht angefertigt werden, die dem Skalenmuster 570 im Betrieb am nächsten ist.
Bei diversen Umsetzungen kann die Breite des Skalenmusters 570 etwas größer gemacht werden als die Breite des Lesekopfes 505A, um diverse Fehlausrichtungen zu berücksichtigen, die vorkommen können. Zusätzlich kann die Länge jedes Skalenelements 570E ungefähr die Hälfte der gesamten kombinierten Länge des Lesekopfes 505A sein, um die Reichweite und die Linearität des Antwortsignals zu maximieren (z. B. wie durch die Differenz zwischen den Positionssignalen SEN1 und SEN2 bestimmt).
Obwohl die in 5A gezeigte Umsetzung erste und zweite Sensorabschnitte 510A und 510B zeigt, die getrennte Signale bereitstellen, versteht es sich, dass bei alternativen Umsetzungen die ersten und zweiten Sensorabschnitte 510A und 510B in eine einzige Spule mit einem einzigen Ausgang kombiniert werden können oder zusätzliche Sensorabschnitte enthalten sein können, die jeweils getrennte Signale bereitstellen (z. B. eine Konfiguration mit vier Sensorabschnitten). Wie es nachstehend mit Bezug auf 5B ausführlicher beschrieben wird, kann bei einer anderen alternativen Umsetzung eine einzige leitfähige Schaltung die Funktion sowohl eines Erregerabschnitts als auch eines Sensorabschnitts ausführen, und eine Änderung der komplexen Impedanz in diesem Sensorabschnitt kann ein Positionssignal bereitstellen.
5B ist ein schematisches Diagramm, das diverse Funktionsgrundlagen eines Lesekopfes 505B abbildet, bei dem eine einzige leitfähige Schaltung die Funktion sowohl eines Erregerabschnitts als auch eines Sensorabschnitts ausführen kann. Bei diversen Umsetzungen kann ein Lesekopf eine oder mehrere derartige leitfähige Schaltungen umfassen (z. B. vier leitfähige Schaltungen, die um P/4 beabstandet sind). Ähnlich wie in 5A wird zur Vereinfachung der vorliegenden Erläuterung und Erklärung nur eine einzige Skalenelementschaltung 570E beschrieben (die z. B. entweder eine Plattenfläche oder eine vertiefte Fläche darstellt), die sich in der Nähe des Lesekopfes 505B befindet, der als nur eine einzige leitfähige Schaltung umfassend abgebildet ist. Wie in 5B gezeigt, können der Lesekopf 505B und das Zielskalenelement 570E somit als eine einfache zweiteilige Schaltung modelliert werden, wie es bei J. Lefebvre, C. Mandache und J. Letarte, „Pulsed eddy current empirical modeling", Advances in Signal Processing for Non Destructive Evaluation of Materials, Quebec City, Kanada, 2006, ausführlicher beschrieben wird. Wie beschrieben sind einige der Hauptvariablen, die sich auf die Impedanz eines Wirbelstromsensors auswirken, die räumlichen Abmessungen und der Aufbau der Sensorspule; die Ansteuerfrequenz (ω); die Leitfähigkeit des Zielobjekts (σ); die magnetische Durchlässigkeit des Zielobjekts (μ); die Unregelmäßigkeiten des Zielobjekts; und der Spalt und die Ausrichtung des Sensors im Verhältnis zum Zielobjekt.
Wie in 5B gezeigt, funktioniert die abgebildete Schaltung des Lesekopfes 505B links sowohl als Erregerabschnitt als auch als Sensorabschnitt und weist eine Induktivität L_S, einen Widerstand R_S auf und wird von einer Spannungsquelle V(t) angesteuert. Das Skalenelement 570E rechts ist als Zielschaltung abgebildet und weist eine effektive Induktivität L_t und einen Widerstand R_t auf. Die effektiven Zielwerte für das Skalenelement 570E sind von σ, μ, ω und der Systemgeometrie abhängig. Die Kopplung der beiden Schaltungen ist von der Sensor/Ziel-Nähe abhängig und zeigt sich in der gegenseitigen Induktivität M = k√(L_SL_t). Der Wert von k ist 0 ≤ k ≤ 1 und nimmt in dem Maße zu, wie der Spalt abnimmt. Eine Änderung der komplexen Impedanz in dem Lesekopf 505B auf Grund der Kopplung mit dem Skalenelement 570E kann ein entsprechendes Positionssignal bereitstellen, das verwendet werden kann, um eine Position des Lesekopfes 505B mit Bezug auf das Skalenelement 570E und das entsprechende Skalenmuster 570 zu bestimmen.
6A bis 6C sind Diagramme von Ausgangssignalen von einem Lesekopf, wie sie jeweils mit den Skalenmustern aus 3A bis 3C kombiniert verwendet werden, und 7A bis 7C sind Diagramme von sich ergebenden absoluten Positionssignalen. Um die Kennlinien der Ausgangssignale aus 6A bis 6C besser zu erläutern, werden die Signale für erweiterte Versionen der Skalenmuster aus 3A bis 3C gezeigt. Genauer gesagt werden die Signale für Versionen der Skalenmuster gezeigt, die 50 Skalenwellenlängen P abdecken, einschließlich jeweils 50 der ersten und zweiten Skalenelementzonen FZ und SZ, wobei die Skalenmuster gemäß den gleichen zuvor mit Bezug auf 3A bis 3C beschriebenen Kennzeichen fortfahren. Als spezifisches erläuterndes Beispiel kann eine Positionsmessvorrichtung, die derartige Skalenmuster verwendet, als einen maximalen Messbereich von 50 Skalenwellenlängen, über den sich der absolute Signalbereich erstreckt, aufweisend definiert werden. Es versteht sich, dass sich bei anderen Umsetzungen das Skalenmuster und der entsprechende maximale Messbereich über eine größere oder kleinere Anzahl von Skalenwellenlängen erstrecken können.
Bei diversen Umsetzungen können die Ausgangssignale aus 6A bis 6C die Ausgabe eines Sensorabschnitts des Signalabschnitts des Lesekopfes darstellen. Wie zuvor mit Bezug auf 4 beschrieben, kann der Signalabschnitt des Lesekopfes einen oder mehrere Sensorabschnitte umfassen, die Positionssignale ausgeben, die in Abhängigkeit von den Wirbelströmen variieren. Als ein spezifisches erläuterndes Beispiel können vier Sensorabschnitte (für welche die Ausgangssignale z. B. mit A, B, A' und B' bezeichnet sind) enthalten sein, die entlang der Länge der Skala um P/4 beabstandet sind. Die Signale aus 6A bis 6C können entsprechend eines dieser Ausgangssignale von einem der Sensorabschnitte darstellen.
Gemäß gewissen Signalverarbeitungstechniken kann ein inkrementales Positionssignal durch eine Formel (z. B. tan^–1((A-A')/(B-B'))) bestimmt werden, wohingegen ein absolutes Positionssignal (z. B. wie durch die Signale aus 7A bis 7C angegeben) durch eine andere Formel (z. B. A + B + A' + B') bestimmt werden kann. Es versteht sich, dass derartige Formeln durch eine beliebige Kombination von Signalverarbeitung und physischen Schaltungskombinationen umgesetzt werden können (z. B. kann das absolute Positionssignal, das eine Summe der Signale ist, aus der Signalverarbeitung und/oder einer physischen Schaltungskombination der Signalleitungen bestimmt werden).
6A bildet ein Lesekopf-Ausgangssignal 600A ab, und 7A bildet ein entsprechendes absolutes Positionssignal 700A ab, das dem Skalenmuster 370A aus 3A entspricht. Wie zuvor mit Bezug auf 3A beschrieben, nimmt bei dem Skalenmuster 370A die Vertiefungstiefe jeder der vertieften Flächen R1A bis R8A von der ersten abgebildeten vertieften Fläche R1 bis zu der letzten abgebildeten vertieften Fläche R8 gemäß einer linearen Funktion ab, wohingegen die leitfähigen Plattenflächen P1A bis P9A gleich bleiben. Wie in 6A gezeigt, führt diese Konfiguration zu dem Ausgangssignal 600A aus dem Lesekopf-Signalabschnitt (z. B. von einem einzigen Sensorabschnitt des Lesekopf-Signalabschnitts), wobei die oberen Signalspitzen (die z. B. dem Lesekopf-Sensorabschnitt entsprechen, der über jeder der leitfähigen Plattenflächen zentriert ist) im Allgemeinen entlang einer geraden waagerechten Linie fallen, wohingegen die unteren Signalspitzen (die z. B. dem Lesekopf-Sensorabschnitt entsprechen, der über jeder der vertieften Flächen zentriert ist) im Allgemeinen entlang einer gebogenen Linie fallen, zum Beispiel in Abhängigkeit von der nicht linearen Reaktion der Lesekopfsignale auf einen zunehmenden Spalt. Wie in 7A gezeigt, ist das sich ergebende absolute Positionssignal 700A auch gebogen, wobei die Neigung in der Nähe des Endes des Skalenmusters 370A flacher wird, wodurch das genaue Bestimmen der absoluten Position in der Nähe des Endes des Skalenmusters 370A entsprechend schwieriger wird.
6B bildet ein Lesekopf-Ausgangssignal 600B ab, und 7B bildet ein entsprechendes absolutes Positionssignal 700B ab, das dem Skalenmuster 370B aus 3B entspricht. Wie zuvor mit Bezug auf 3B beschrieben, nimmt bei dem Skalenmuster 370B die Vertiefungstiefe jeder der vertieften Flächen R1B bis R8B von der ersten abgebildeten vertieften Fläche R1 bis zu der letzten abgebildeten vertieften Fläche R8 gemäß einer gebogenen Funktion ab, wohingegen die leitfähigen Plattenflächen P1B bis P9B gleich bleiben. Wie in 6B gezeigt, führt diese Konfiguration zu dem Ausgangssignal 600B aus dem Lesekopf-Signalabschnitt, wobei die oberen Signalspitzen (die z. B. dem Lesekopf-Sensorabschnitt entsprechen, der über jeder der leitfähigen Plattenflächen zentriert ist) im Allgemeinen entlang einer geraden waagerechten Linie fallen, wohingegen die unteren Signalspitzen (die z. B. dem Lesekopf-Sensorabschnitt entsprechen, der über jeder der vertieften Flächen zentriert ist) im Allgemeinen entlang einer geraden Linie fallen, die nach unten abgewinkelt ist. Wie in 7B gezeigt (für welche die X-Achse auf drei Skalenwellenlängen P reduziert wurde, um die Signalkennlinien besser abzubilden), ist das sich ergebende absolute Positionssignal 700B ebenfalls im Allgemeinen ähnlich nach unten abgewinkelt, ist jedoch auch auf der Skalenwellenlänge P gewissermaßen periodisch. Es versteht sich, dass das absolute Positionssignal 700B auch im Vergleich mit dem absoluten Positionssignal 700A relativ übereinstimmt (d. h. das globale Signal 700B weist keine erheblich abnehmende Steigung in der Nähe des Endes der Skalenmuster 370B auf).
6C bildet ein Lesekopf-Ausgangssignal 600C ab, und 7C bildet ein entsprechendes absolutes Positionssignal 700C ab, das dem Skalenmuster 370C aus 3B entspricht. Wie zuvor mit Bezug auf 3C beschrieben, nimmt bei dem Skalenmuster 370C die Vertiefungstiefe jeder der vertieften Flächen R1C bis R8C von der ersten abgebildeten vertieften Fläche R1 bis zu der letzten abgebildeten vertieften Fläche R8 gemäß einer gebogenen Funktion zu, und eine Höhe der leitfähigen Plattenflächen P1C bis P9C nimmt von der ersten abgebildeten leitfähigen Plattenfläche P1C bis zu der letzten leitfähigen Plattenfläche P9C gemäß einer ungefähr linearen Funktion oder gegebenenfalls nicht linearen Funktion ab. Wie in 6C gezeigt, führt diese Konfiguration zu dem Ausgangssignal 600C aus dem Lesekopf-Signalabschnitt, wobei die oberen Signalspitzen (die z. B. dem Lesekopf-Sensorabschnitt entsprechen, der über jeder der leitfähigen Plattenflächen zentriert ist) im Allgemeinen entlang einer geraden Linie fallen, die nach unten abgewinkelt ist, und die unteren Signalspitzen (z. B. die dem Lesekopf-Sensorabschnitt entsprechen, der über jeder der vertieften Flächen zentriert ist) im Allgemeinen entlang einer geraden Linie fallen, die ähnlich nach unten abgewinkelt ist, wobei die Unterschiede von Spitze zu Spitze somit eine relativ konstante Amplitude über den Messbereich aufweisen. Wie in 7C gezeigt, ist das sich ergebende absolute Positionssignal 700C auch im Allgemeinen linear und nach unten abgewinkelt.
Es versteht sich, dass die Fähigkeit eines einzigen Lesekopf-Signalabschnitts, Signale bereitzustellen, welche die Bestimmung sowohl inkrementaler als auch absoluter Positionssignale erlauben, ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Positionsmessvorrichtung ist. Um genauer gesagt sowohl inkrementale aus auch absolute Positionssignale zu bestimmen, erfordern Konfigurationen, wie sie hier beschrieben werden, keine zweite Skalenspur und keinen entsprechenden zweiten Lesekopf-Signalabschnitt zum Lesen der zweiten Skalenspur. Derartige Konfigurationen können auch geringere Energieanforderungen aufweisen (z. B. weil sie keine Energie für einen zweiten Lesekopf-Signalabschnitt benötigen). Zusätzlich kann bei diversen Umsetzungen eine schmälere Skala verwendet werden, da keine zweite kollineare Skalenspur benötigt wird.
Es versteht sich, dass andere Leseköpfe, Schaltungen und Signalverarbeitung mit den hier offenbarten diversen Skalen als Alternativen zu den zuvor angesprochenen verwendet werden können. Beispielsweise können diverse Leseköpfe und Schaltungen, die in den zuvor übernommenen Patentreferenzen '494 und '389 offenbart werden, angepasst werden, um zusammen mit diversen hier offenbarten Skalenkonfigurationen zu funktionieren, um inkrementale und absolute Positionssignale gemäß den hier offenbarten Grundlagen bereitzustellen. Somit versteht es sich, dass die zuvor angesprochenen Leseköpfe, die Schaltungen und die Signalverarbeitung rein beispielhaft und nicht einschränkend sind.
8A bis 8G sind Diagramme von alternativen Ausführungsformen jeweils der Skalenmuster 870A bis 870G, die zusätzlich zu den zuvor mit Bezug auf 3A bis 3C beschriebenen abgebildet sind. Jedes der Skalenmuster 870A bis 870G umfasst jeweilige erste Skalenelementzonen FZ und zweite Skalenelementzonen SZ. Wie in 8A gezeigt, ist ein Diagramm in Seitenansicht des Skalenmusters 870A abgebildet. Bei dem Skalenmuster 870A umfasst jede der ersten Skalenelementzonen FZ eine jeweilige leitfähige Plattenfläche der gleichen Höhe mit Bezug auf das globale Skalenmuster 870A. Jede der zweiten Skalenelementzonen SZ umfasst eine jeweilige vertiefte Fläche. Die Vertiefungstiefe jeder der vertieften Flächen wird gezeigt, wie sie von links nach rechts entlang dem Skalenmuster gemäß einer linearen Funktion zunimmt, ähnlich wie bei der Konfiguration aus 3A.
Wie in 8B gezeigt, ist ein Diagramm in Seitenansicht des Skalenmusters 870B abgebildet. Bei dem Skalenmuster 870B umfasst jede der ersten Skalenelementzonen FZ eine jeweilige vertiefte Fläche der gleichen Tiefe mit Bezug auf den Boden des gesamten Skalenmusters 870B. Jede der zweiten Skalenelementzonen SZ umfasst eine jeweilige leitfähige Plattenfläche. Die Höhe jeder der leitfähigen Plattenflächen wird gezeigt, wie sie von links nach rechts entlang dem Skalenmuster gemäß einer linearen Funktion zunimmt. Es versteht sich, dass, obwohl gewisse andere zuvor beschriebene Skalenmuster ein Plattenabsatzmerkmal (z. B. eine vertiefte Fläche) als zweiten Typ von Skalenelement, der variiert wurde, aufwiesen, das Skalenmuster 870B eine Konfiguration abbildet, bei welcher der erste Typ von Skalenelement ein Plattenabsatzmerkmal ist, das konstant bleibt, während der zweite Typ von Skalenelement ein Plattenmerkmal ist, für das die Plattenhöhe variiert wird.
8C bis 8G sind jeweils Diagramme in Draufsicht der Skalenmuster 870C bis 870G. Jedes der Skalenmuster 870C bis 870G wird jeweils mit Bezug auf eine Sensor-/Skalen-Spurbreite W1C bis W1G abgebildet. Bei jedem der Skalenmuster 870C bis 870G können die dunklen Flächen je nach Umsetzung variierende Plattenflächen oder vertiefte Flächen darstellen. Beispielsweise können die dunklen Flächen bei diversen Umsetzungen Löcher darstellen, die abgespant werden, durch elektroerosive Bearbeitung in einem Metallblock gebildet werden, in eine PCB geätzt werden, in eine dünne Metallfolie gestanzt werden, usw. Bei einem anderen Beispiel können bei diversen anderen Umsetzungen die dunklen Flächen leitfähige Plattenflächen darstellen, die auf einer PCB gebildet sind, die anderweitig nicht leitfähig ist, oder der Rest kann bearbeitet, gestanzt oder geätzt werden, um vertieft zu werden, usw.
Wie in 8C gezeigt, sind in dem Skalenmuster 870C die variierenden Plattenflächen und/oder vertieften Flächen in beiden Typen von Skalenelementzonen FZ und S gleichzeitig abgebildet, und die variierenden Flächen sind gemäß einer sinuswellenartigen Funktion abgebildet, die von links nach rechts entlang dem Skalenmuster an Amplitude zunimmt. Wie in 8D und 8E gezeigt, sind bei den Skalenmustern 870D und 870E die variierenden Plattenflächen und/oder vertieften Flächen in jeder der zweiten Skalenelementzonen SZ abgebildet, wohingegen die ersten Skalenelementzonen FZ konstant bleiben. Bei dem Skalenmuster 870D sind die variierenden Flächen gemäß einer Anzahl von ähnlich dimensionierten, waagerecht orientierten ovalen Formen abgebildet, wobei die Anzahl der Formen von links nach rechts entlang dem Skalenmuster zunimmt. Bei dem Skalenmuster 870E sind die variierenden Flächen gemäß einer senkrecht orientierten ovalen Form mit einer Höhe abgebildet, die von links nach rechts entlang dem Skalenmuster zunimmt.
Wie in 8F gezeigt, sind bei dem Skalenmuster 870F die variierenden Plattenflächen und/oder vertieften Flächen in beiden Typen von Skalenelementzonen FZ und S gleichzeitig abgebildet, und die variierenden Flächen sind gemäß einer sinuswellenartigen Funktion abgebildet, die von links nach rechts entlang dem Skalenmuster an Amplitude zunimmt. Wie in 8G gezeigt, ist bei dem Skalenmuster 870G jede der abgebildeten ersten Skalenelementzonen FZ gleich, wohingegen jede der zweiten Skalenelementzonen SZ eine jeweilige leitfähige Plattenfläche umfasst. Wie abgebildet, kann die Fläche jeder leitfähigen Plattenfläche recht konstant sein, wohingegen bei einer Anzahl Unterteilungen vorkommen können, so dass der effektive Widerstand, der gegen die Wirbelströme aufgebracht wird, basierend auf der Anzahl von Unterteilungen variiert. Es versteht sich, dass bei einer derartigen Konfiguration die zusätzlichen Unterteilungen in jeder leitfähigen Plattenfläche im Allgemeinen den Widerstand erhöhen und die Wirbelströme und ihre verknüpften Signalbeiträge (d. h. Subtraktionen) verringern.
9A bis 9B sind Diagramme von Ausführungsformen von Dreh- oder Winkel-Skalenmustern, bei denen man ansonsten davon ausgeht, dass sie ähnlich wie die zuvor beschriebenen analogen linearen Skalen aus 3A bis 3C und/oder 8A oder 8B funktionieren. Daher werden hier nur wesentliche Unterschiede und/oder Hauptelemente beschrieben. Jedes der Skalenmuster 970A bis 970G umfasst jeweilige erste Skalenelementzonen FZ und zweite Skalenelementzonen SZ. Bei diesen Ausführungsformen sind die Zonen Winkelzonen, die gemäß der Winkelperiode oder Wellenlänge P angeordnet sind. Wie in 9A gezeigt, ist ein Diagramm in Seitenansicht des Skalenmusters 970A abgebildet, wobei die Skala, die das Muster 970A umfasst, eine kreisförmige Messachsenrichtung MA aufweist und sich um eine mittlere Drehachse RA herum dreht oder bewegt. Bei dem Skalenmuster 970A umfasst jede der ersten Skalenelementzonen FZ eine jeweilige leitfähige Plattenfläche der gleichen Höhe (Radius) mit Bezug auf das globale Skalenmuster 970A. Jede der zweiten Skalenelementzonen SZ umfasst eine jeweilige radial vertiefte Fläche. Die radiale Vertiefungstiefe jeder der vertieften Flächen wird gezeigt, wie sie im Uhrzeigersinn um das Skalenmuster herum zunimmt, beginnend mit der zweiten Skalenelementzone SZ1 und endend mit der zweiten Skalenelementzone SZ8, ähnlich wie die Konfiguration aus 3A. Die Signalverarbeitung kann verwendet werden, um den Signalübergang zwischen SZ8, FZ1 und SZ1 (beispielsweise) zu verfolgen, um gegebenenfalls eine eventuelle Unbestimmtheit aufzulösen, die bei der Schrittänderung zwischen SZ8 und SZ1 vorkommen kann. Es versteht sich, dass ein Lesekopf ähnlich wie die zuvor angesprochenen (oder ähnlich wie diejenigen, die mit Bezug auf 18 und 19 in dem zuvor übernommenen Patent '389 offenbart werden) entlang oder um den Außenumfang des Skalenmusters 970A herum befindlich sein können, um inkrementale und absolute Signale ähnlich wie bei den zuvor angesprochenen Grundlagen zu messen.
Wie in 9B gezeigt, ist ein isometrisches Diagramm des Skalenmusters 970B abgebildet, wobei die Skala, die das Muster 970B umfasst, eine kreisförmige Messachsenrichtung MA aufweist und sich um eine mittlere Drehachse RA herum dreht oder bewegt. Das Skalenmuster 970B wird mit Bezug auf eine Sensor-/Skalen-Spurbreite W1R abgebildet. Bei dem Skalenmuster 970B umfasst jede der ersten Skalenelementzonen FZ eine jeweilige leitfähige Plattenfläche der gleichen axialen Höhe (z. B. sind die leitfähigen Plattenflächen zur Drehachse RA koplanar und rechtwinklig). Jede der zweiten Skalenelementzonen SZ umfasst eine jeweilige axial vertiefte Fläche. Die axiale Vertiefungstiefe jeder der vertieften Flächen wird gezeigt, wie sie im Uhrzeigersinn um das Skalenmuster herum zunimmt, beginnend mit der zweiten Skalenelementzone SZ1 und so weiter, ähnlich wie bei der Konfiguration aus 9A. Die Signalverarbeitung kann verwendet werden, um den Signalübergang in der Nähe der leitfähigen Platte P1 und ihren angrenzenden Vertiefungen zu verfolgen, um gegebenenfalls eine eventuelle Unbestimmtheit aufzulösen, die bei der Schrittänderung zwischen ihren angrenzenden Vertiefungen vorkommen kann. Es versteht sich, dass sich ein ebener Lesekopf ähnlich wie die zuvor angesprochenen (oder ähnlich wie diejenigen, die mit Bezug auf 16 und 17 in dem zuvor übernommenen Patent '389 offenbart werden) axial gegenüber dem Skalenmuster 970B in der Spurbreite W1R entlang einem Abschnitt des Skalenmusters 970B befinden kann, um inkrementale und absolute Signale ähnlich wie bei den zuvor angesprochenen Grundlagen zu messen.
10 ist ein Diagramm von zwei Skalenmustern 1070A und 1070B, die zusammen mit einer Skala 1002 verwendet werden, um eine absolute Position zu bestimmen. Wie in 10 gezeigt, wird das Skalenmuster 1070A aus drei Skalenmusterabschnitten SPP, SPP' und SPP'' gebildet. Bei diversen Umsetzungen kann jeder der Skalenmusterabschnitte SPP, SPP' und SPP'' ähnlich wie eines der zuvor beschriebenen Skalenmuster sein (z. B. wie das Skalenmuster 370A aus 3A). Jeder der Skalenmusterabschnitte SPP, SPP' und SPP'' umfasst jeweilige erste Skalenelementzonen FZ und zweite Skalenelementzonen SZ.
Jede der ersten Skalenelementzonen FZ umfasst eine jeweilige leitfähige Plattenfläche der gleichen Höhe mit Bezug auf das globale Skalenmuster 1070A. Genauer gesagt umfassen die ersten Skalenelementzonen FZ der Skalenmusterabschnitte SPP, SPP' und SPP'' jeweils die leitfähigen Plattenflächen P1 bis P8, P1' bis P8' und P1'' bis P8''. Jede der zweiten Skalenelementzonen SZ umfasst eine jeweilige vertiefte Fläche. Genauer gesagt umfassen die zweiten Skalenelementzonen SZ der Skalenmusterabschnitte SPP, SPP' und SPP'' jeweils die vertieften Flächen R1 bis R8, R1' bis R8' und R1'' bis R8''. Die Vertiefungstiefe jeder der vertieften Flächen wird gezeigt, wie sie von links nach rechts entlang dem jeweiligen Skalenmusterabschnitt SPP, SPP' und SPP'' ähnlich wie bei der Konfiguration aus 3A zunimmt.
Das Skalenmuster 1070A wird gezeigt, wie es sich über einen maximalen Messbereich MMR erstreckt. Jeder der Skalenmusterabschnitte SPP, SPP' und SPP'' wird gezeigt, wie er sich über einen jeweiligen Abschnitt des maximalen Signalbereichs MMR erstreckt. Genauer gesagt erstreckt sich der Skalenmusterabschnitt SPP über einen ersten absoluten Signalbereich ASR, der sich über einen ersten Abschnitt des maximalen Messbereichs MMR erstreckt. Entsprechend erstreckt sich der Skalenmusterabschnitt SPP' über einen zweiten absoluten Signalbereich ASR', der sich über einen zweiten Abschnitt des maximalen Messbereichs MMR erstreckt, und der Skalenmusterabschnitt SPP'' erstreckt sich über einen dritten absoluten Signalbereich ASR'', der sich über einen dritten Abschnitt des maximalen Messbereichs MMR erstreckt.
Bei diversen Umsetzungen kann das Skalenmuster 1070B auch ähnlich wie eines der zuvor beschriebenen Skalenmuster sein (z. B. wie das Skalenmuster 370A aus 3A). Das Skalenmuster 1070B umfasst erste Skalenelementzonen FZ und zweite Skalenelementzonen S, wobei jede der ersten Skalenelementzonen FZ eine jeweilige leitfähige Plattenfläche P1M bis P9M umfasst, die jeweils mit Bezug auf das globale Skalenmuster 1070B die gleiche Höhe aufweisen, und jede der zweiten Skalenelementzonen SZ umfasst eine jeweilige vertiefte Fläche R1M bis R8M. Die Vertiefungstiefe jeder der vertieften Flächen R1M bis R8M wird gezeigt, wie sie von links nach rechts entlang dem Skalenmuster gemäß einer linearen Funktion zunimmt, ähnlich wie bei der Konfiguration aus 3A.
Bei der Umsetzung aus 10 kann das Skalenmuster 1070B als Identifizierungsabschnitt des absoluten Signalbereichs dienen, der eine Bestimmung ermöglicht, mit welchem absoluten Signalbereich ASR, ASR' oder ASR'' ein Positionssignal verknüpft ist. Auf diese Art und Weise kann das Skalenmuster 1070B im Wesentlichen als „grobes” Skalenmuster dienen, wohingegen die Skalenmusterabschnitte SPP, SPP' und SPP'' des Skalenmusters 1070A jeweils im Wesentlichen als „mittlere” oder „feine” Skalenmuster dienen können. Bei einer alternativen Umsetzung können statt einem zweiten Skalenmuster 1070B andere Mechanismen für einen Identifizierungsabschnitt des absoluten Signalbereichs verwendet werden (z. B. können binäre Codeelemente entlang der Skala 1002 verwendet werden).
Bei einer Umsetzung können binäre Codeelemente für den Identifizierungsabschnitt des absoluten Signalbereichs (oder alternativ für ein unabhängiges Skalenmuster) unter Verwendung ähnlicher Techniken wie die anderen beschriebenen Skalenelemente gebildet werden. Beispielsweise kann ein binärer Code unter Verwendung einer Sequenz von Skalenelementen von zwei Tiefen gebildet werden, wie etwa leitfähige Plattenflächen und vertiefte Flächen, die in einer binären Code-Sequenz auf der Skala angeordnet sind, wobei die mehreren Lesekopfsensoren zum Lesen verwendet werden können. Als weiteres Beispiel können zusätzliche Variationen der Höhen der Plattenflächen oder Tiefen der vertieften Flächen verwendet werden, um Codes noch höherer Ordnung umzusetzen (z. B. unter Verwendung von 3+-Variationen).
Es versteht sich, dass diese Beispiele rein erläuternd und nicht einschränkend sind. Die zuvor beschriebenen diversen Bestandteile können anderweitig positioniert sein und andere Formen annehmen als zuvor dargelegt, wie es der Fachmann auf dem Gebiet der vorliegenden Offenbarung verstehen wird. Obwohl beispielsweise mehrere der zuvor beschriebenen Skalenmuster vertiefte Flächen umfassen, können alternativ andere Typen von Skalenelementen als Plattenabsatzmerkmale verwendet werden (z. B. nicht leitfähige Flächen). Im Allgemeinen kann für Plattenabsatzmerkmale ein Kennzeichen, das variiert werden kann, die Größe einer nicht leitfähigen Fläche, die Größe einer vertieften Fläche, die Vertiefungstiefe einer vertieften Fläche usw. umfassen. Für Plattenmerkmale kann ein Kennzeichen, das variiert werden kann, die Größe der Plattenfläche, die Plattenhöhe usw. umfassen.
Obwohl zuvor angemerkt wurde, dass bestimmte Skalenmuster gebildet werden könnten, indem nach und nach tiefere Einschnitte in einem Vollmaterial (z. B. Aluminium) eingebracht werden, können als weiteres Beispiel bei anderen Umsetzungen andere Fertigungstechniken verwendet werden. Genauer gesagt können bei diversen Umsetzungen die Skalenmuster in einem Skalenabschnitt gebildet sein, der mindestens eines von einer Leiterplatte, einer strukturierten dünnen Metallfolie, die entfernte Bereiche umfasst, einer geformten dünnen Metallfolie, die Vertiefungen umfasst, die durch Verformen der dünnen Metallfolie gebildet werden, oder ein Metallmaterialstück, das Vertiefungen umfasst, die durch Entfernen des Metallmaterials gebildet werden, usw. umfasst.
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 dazu gedacht, die Ansprüche auf die spezifischen Ausführungsformen einzuschränken, die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart werden, sondern sind dazu gedacht, alle möglichen Ausführungsformen zusammen mit dem vollen Umfang der Äquivalente zu umfassen, zu denen diese Ansprüche berechtigt sind.
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 6011389 [0003, 0067, 0073, 0074]
US 5973494 [0003, 0067]
US 6002250 [0003]
US 5886519 [0003, 0005]
US 5841274 [0003, 0005]
US 5894678 [0003, 0005]
US 3882482 [0005]
US 5965879 [0005]
US 5279044 [0005]
US 5237391 [0005]
US 5442166 [0005]
US 4964727 [0005]
US 4414754 [0005]
US 4109389 [0005]
US 5773820 [0005]
US 5010655 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. Lefebvre, C. Mandache und J. Letarte, „Pulsed eddy current empirical modeling”, Advances in Signal Processing for Non Destructive Evaluation of Materials, Quebec City, Kanada, 2006 [0058]

Claims

Positionsmessvorrichtung, die verwendbar ist, um eine Position eines ersten Elements im Verhältnis zu einem zweiten Element entlang einer Messachse zu messen. wobei die Positionsmessvorrichtung Folgendes umfasst: eine Skala, die einen Abschnitt umfasst, der ein Skalenmuster umfasst, das sich in der Messachsenrichtung erstreckt; und einen Lesekopf, der mit Bezug auf das Skalenmuster in der Messachsenrichtung zu bewegen ist, wobei der Lesekopf einen Erregerabschnitt, der die Wirbelströme in dem Skalenmuster erregt, und einen Signalabschnitt, der Positionssignale ausgibt, die in Abhängigkeit von den Wirbelströmen variieren, umfasst; wobei: das Skalenmuster Folgendes umfasst: eine Vielzahl von ersten Skalenelementzonen, die in der Messachsenrichtung regelmäßig angeordnet ist, wobei die ersten Skalenelementzonen einen ersten Typ von Skalenelement umfassen; und eine Vielzahl von zweiten Skalenelementzonen, die in der Messachsenrichtung regelmäßig angeordnet ist und mit der Vielzahl von ersten regelmäßigen Skalenelementzonen derart verschachtelt ist, dass sich die ersten und zweiten Skalenelementzonen in der Messachsenrichtung gemäß einer Skalenwellenlänge P regelmäßig wiederholen, wobei die zweiten Skalenelementzonen einen zweiten Typ von Skalenelement umfassen, der ein Kennzeichen aufweist, das in einem absoluten Signalbereich variiert wird, um eine andere jeweilige Wirbelstromreaktion in verschiedenen jeweiligen zweiten Skalenelementzonen in dem absoluten Signalbereich bereitzustellen; und der Signalabschnitt auf die jeweiligen Wirbelströme reagiert, um absolute Positionssignale auszugeben, die einen Signalverlauf aufweisen, der über den absoluten Signalbereich variiert, um einzigartig jeweilige Positionen über den absoluten Signalbereich anzugeben.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der absolute Signalbereich mindestens 10× die Skalenwellenlänge P ist.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Typ von Skalenelement ein Plattenmerkmal umfasst und der zweite Typ von Skalenelement ein Plattenabsatzmerkmal umfasst.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Plattenmerkmal in jeder der ersten Skalenelementzonen gleich ist.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Plattenmerkmal eine leitfähige Plattenfläche umfasst, und das Plattenabsatzmerkmal mindestens eine von einer nicht leitfähigen Fläche oder einer vertieften Fläche in einem Leiter umfasst.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Kennzeichen des zweiten Typs von Skalenelement, das in dem absoluten Signalbereich entlang dem Skalenmuster variiert wird, mindestens eines umfasst von a) der Größe der nicht leitfähigen Fläche, b) der Größe der vertieften Fläche oder c) der Vertiefungstiefe der vertieften Fläche.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 6, wobei mindestens ein Kennzeichen, das in dem absoluten Signalbereich variiert wird, als eine lineare Funktion über den absoluten Signalbereich variiert wird.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der zweite Typ von Skalenelement ein leitfähiges Gebiet umfasst und das Plattenabsatzmerkmal in dem leitfähigen Gebiet gebildet ist.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Skalenmuster in einem Skalenabschnitt gebildet ist, der mindestens eines von einer Leiterplatte, einer strukturierten dünnen Metallfolie, die entfernte Flächen umfasst, einer geformten dünnen Metallfolie, die Vertiefungen umfasst, die durch Verformen der dünnen Metallfolie gebildet werden, oder einem Metallmaterialstück, das Vertiefungen umfasst, die durch Entfernen des Metallmaterials gebildet werden, umfasst.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Positionsmessvorrichtung einen maximalen Messbereich aufweist, und sich der absolute Signalbereich über den maximalen Messbereich erstreckt.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Positionsmessvorrichtung einen maximalen Messbereich aufweist, und der absolute Signalbereich als ein erster absoluter Signalbereich bezeichnet wird, der sich über einen ersten Abschnitt des maximalen Messbereichs erstreckt, wobei sich ein zweiter absoluter Signalbereich, der ähnlich wie der erste absolute Signalbereich ist, über einen zweiten Abschnitt des maximalen Messbereichs erstreckt, und die Skala ferner einen Abschnitt zum Identifizieren des absoluten Signalbereichs umfasst, der eine Bestimmung einer absoluten Position über den maximalen Messbereich ermöglicht.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Abschnitt zum Identifizieren des absoluten Signalbereichs mindestens eines von einem zweiten Skalenmuster oder binären Code-Elementen entlang der Skala umfasst.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Typ von Skalenelement in den ersten Skalenelementzonen ein Kennzeichen aufweist, das in dem absoluten Signalbereich entlang dem Skalenmuster variiert wird, um eine andere jeweilige Wirbelstromreaktion in verschiedenen jeweiligen ersten Skalenelementzonen in dem absoluten Signalbereich bereitzustellen.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Typ von Skalenelement ein Plattenabsatzmerkmal umfasst, das in jeder der ersten Skalenelementzonen das gleiche ist, der zweite Typ von Skalenelement ein Plattenmerkmal umfasst, und das Kennzeichen des zweiten Typs von Skalenelement, das in dem absoluten Signalbereich entlang dem Skalenmuster variiert wird, mindestens eines umfasst von a) der Größe der Plattenfläche oder b) der Plattenhöhe.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Signalabschnitt und das Skalenmuster derart konfiguriert sind, dass der Signalverlauf über den absoluten Signalbereich linear variiert.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Signalabschnitt und das Skalenmuster derart konfiguriert sind, dass mindestens ein Ausgangssignal auf der Skalenwellenlänge P periodisch ist, und der Signalverlauf einen Amplituden- oder DC-Versatz des periodischen Ausgangssignals umfasst.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fläche jeder ersten Skalenelementzone ungefähr die gleiche wie die Fläche jeder zweiten Skalenelementzone ist.
Skala zur Verwendung in einer Positionsmessvorrichtung, die verwendbar ist, um eine Position eines ersten Elements im Verhältnis zu einem zweiten Element entlang einer Messachse zu messen, wobei die Skala Folgendes umfasst: ein Skalenmuster, das sich in der Messachsenrichtung erstreckt, wobei das Skalenmuster auf einen Wirbelstrom-Lesekopf reagiert, der einen Erregerabschnitt, der die Wirbelströme in dem Skalenmuster erregt, und einen Signalabschnitt, der Positionssignale ausgibt, die in Abhängigkeit von den Wirbelströmen variieren, umfasst; wobei: das Skalenmuster Folgendes umfasst: eine Vielzahl von ersten Skalenelementzonen, die in der Messachsenrichtung regelmäßig angeordnet ist, wobei die ersten Skalenelementzonen einen ersten Typ von Skalenelement umfassen; und eine Vielzahl von zweiten Skalenelementzonen, die in der Messachsenrichtung regelmäßig angeordnet ist und mit der Vielzahl von ersten regelmäßigen Skalenelementzonen derart verschachtelt ist, dass sich die ersten und zweiten Skalenelementzonen in der Messachsenrichtung gemäß einer Skalenwellenlänge P regelmäßig wiederholen, wobei die zweiten Skalenelementzonen einen zweiten Typ von Skalenelement umfassen, der ein Kennzeichen aufweist, das in einem absoluten Signalbereich entlang dem Skalenmuster variiert wird, um eine andere jeweilige Wirbelstromreaktion in verschiedenen jeweiligen zweiten Skalenelementzonen in dem absoluten Signalbereich bereitzustellen; und das Skalenmuster derart konfiguriert ist, dass es bewirkt, dass ein Signalabschnitt eines Wirbelstrom-Lesekopfes absolute Positionssignale ausgibt, die einen Signalverlauf aufweisen, der über den absoluten Signalbereich variiert, um jeweilige Positionen über den absoluten Signalbereich einzigartig anzugeben.
Skala nach Anspruch 18, wobei der erste Typ von Skalenelement ein Plattenmerkmal umfasst und der zweite Typ von Skalenelement ein Plattenabsatzmerkmal umfasst.
Skala nach Anspruch 19, wobei das Plattenmerkmal eine leitfähige Plattenfläche umfasst, das Plattenabsatzmerkmal mindestens eine von einer nicht leitfähigen Fläche oder einer vertieften Fläche in einem Leiter umfasst, und das Kennzeichen des zweiten Typs von Skalenelement, das in dem absoluten Signalbereich entlang dem Skalenmuster variiert wird, mindestens eines umfasst von a) der Größe der nicht leitfähigen Fläche, b) der Größe der vertieften Fläche oder c) der Vertiefungstiefe der vertieften Fläche.