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HINTERGRUND
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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Präzisionsmessgeräte und insbesondere elektronische Positionsgeber.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Verschiedene optische, kapazitive, magnetische und induktive Messgeber und Bewegungs- oder Positionsmessgeber stehen zur Verfügung. Diese Messgeber verwenden verschiedene geometrische Konfigurationen eines Senders und eines Empfängers in einem Lesekopf, um eine Bewegung zwischen dem Lesekopf und einer Skala zu messen. Induktive Sensoren sind dafür bekannt, dass sie einer der Sensortypen sind, der am unempfindlichsten gegen Verschmutzung durch Partikel, Öl, Wasser und andere Fluids ist. Die
US-Patentschrift Nr. 6,011,389 (das '389-Patent), das hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich mit aufgenommen ist, beschreibt einen Induktionsstrom-Positionsmessgeber, der in Hochgenauigkeitsanwendungen eingesetzt werden kann. Die US-Patentschriften mit den Nrn. 5,973,494 und 6,002,250, die jeweils hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich mit aufgenommen sind, beschreiben induktive Inkrementalpositions-Messschieber und Linearmaßstäbe, die signalerzeugende und signalverarbeitende Schaltungen umfassen. Die US-Patentschriften mit den Nrn. 5,886,519; 5,841,274; 5,894,678; 6,400,138 und 8,309,906, die jeweils hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich mit aufgenommen sind, beschreiben induktive Absolut-Positionsmessgeber und elektronische Maßbänder, die den Induktionsstrom-Messgeber verwenden. Wie in diesen Patenten beschrieben wird, kann der Induktionsstrom-Messgeber ohne weiteres unter Verwendung bekannter Leiterplattentechnologie hergestellt werden.
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Unterschiedliche Ausführungen des Induktionsstrom-Messgebers (und anderer Typen von Messgebern) können entweder als Inkremental- oder Absolut-Positionsmessgeber ausgeführt werden. Im Allgemeinen nutzen Inkrementalpositionsgeber eine Skala, die ermöglicht, dass die Verschiebung eines Lesekopfs relativ zu einer Skala, beginnend an einem Ausgangspunkt, entlang der Skala durch Summieren von inkrementellen Einheiten der Verschiebung bestimmt werden kann. In bestimmten Anwendungen, wie denjenigen, in denen Messgeber in Geräten mit geringem Stromverbrauch eingesetzt werden, ist es jedoch erwünschter, Absolut-Positionsgeber zu verwenden. Absolut-Positionsgeber stellen ein eindeutiges Ausgangssignal oder eine Kombination von Signalen an jeder Position (eines Lesekopfs) entlang einer Skala bereit. Sie erfordern keine kontinuierliche Summierung von inkrementellen Verschiebungen, um eine Position festzustellen. Somit ermöglichen Absolut-Positionsgeber, neben weiteren Vorteilen, verschiedene Stromsparschemata. Zusätzlich zu den oben angegeben Patenten offenbaren die US-Patentschriften mit den Nrn. 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 verschiedene Messgeberkonfigurationen und/oder Signalverarbeitungstechniken in Bezug auf Absolutgeber, und sie sind jeweils hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich mit aufgenommen.
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Die Begriffe „Spur“ oder „Skalenspur“ , wie sie hierin verwendet werden, betreffen im Allgemeinen einen Bereich der Skala oder Skalenmuster, der sich entlang der Messachsenrichtung erstreckt und eine ungefähr konstante Breite und Position entlang der Richtung quer zur Messachse aufweist. Eine Skalenspur liegt im Allgemeinen unter, und fluchtet mit, einem bestimmten Satz von Detektoren, der entlang der Messachsenrichtung geführt wird. Die Detektoren reagieren auf ein Muster von Skalenelement(en) in der darunterliegenden Skalenspur, um Positionssignale zu erzeugen, die von der Detektorposition entlang der Spur abhängen.
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Es sind verschiedene Techniken zum Reduzieren von Kurzbereichs-Messfehlern in elektronischen Positionsgebern bekannt. Beispielsweise offenbart die
US-Patentschrift Nr. 6,329,813 verdrehte Magnetfluss-Kopplungsschlaufen in einem induktiven Geber, die Fehler von einem Signal-Offset und unerwünschten geradzahligen Harmonischen reduziert. Die
US-Patentschrift Nr. 6,005,387 (das '387-Patent) offenbart einen dreiphasigen Geber, der Fehler von Harmonischen, die ein Vielfaches von drei sind (z.B. dritte und sechste Harmonische), unterdrückt. Die
US-Patentschrift Nr. 5,886,519 offenbart einen vierphasigen Geber, der Fehler von geradzahligen Harmonischen und Signal-Offsets unterdrückt. Die
US-Patentschrift Nr. 5,998,990 (das '990-Patent) offenbart eine Neigungskompensation in einem Detektorlayout, die einen Amplitudenversatz reduziert. Die
US-Patentschrift Nr. 6,487,787 offenbart Korrekturen zu Offset, Amplitude und Phase von Quadratursignalen, die ebenfalls Kurzbereichsfehler reduzieren können. Diese Systeme sind jedoch anfällig für Fehler von höheren Harmonischen, wie der fünften und sechsten Harmonischen. Weiterhin ist es aufgrund von Fertigungsgrenzen schwierig, eine Neigungskompensation an einem kompakten Lesekopf anzuwenden. Verbleibende Amplituden- oder Offsetversätze von Vorverstärkerkomponenten können in Systemen fortbestehen, die für Fehler aus einem Temperaturdrift und anderen Faktoren in im Lesekopf integrierten Schaltungen kalibrieren. Anwenden von Kompensationsfaktoren für Offset-, Amplituden- und Phasenschwankungen wird normalerweise als ein Durchschnitt für eine Produktlinie anstatt für ein einzelnes System angewendet, das unterschiedliche Schwankungen aufweisen kann. Konfigurationen für elektronische Positionsgeber, die eine verbesserte Robustheit gegenüber diesen Fehlern bereitstellen, wären wünschenswert.
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KURZDARSTELLUNG
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Diese Kurzdarstellung wird bereitgestellt, um in einer vereinfachten Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die nachfolgend in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Die Kurzdarstellung beabsichtigt weder, Hauptmerkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch beabsichtigt sie, als Hilfe beim Bestimmen des Schutzumfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet zu werden.
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Es wird ein elektronischer Positionsgeber offenbart, der zum Messen einer relativen Position zwischen zwei Elementen entlang einer Messachsenrichtung, die mit einer Messachsenrichtung übereinstimmt, verwendet werden kann. Der elektronische Positionsgeber umfasst eine Skala und einen Detektorabschnitt. Die Skala erstreckt sich entlang der Messachsenrichtung und umfasst ein periodisches Skalenmuster entlang der Messachsenrichtung mit einer Skalenperiode Ps. Der Detektorabschnitt ist so konfiguriert, dass er nahe an dem Skalenmuster montiert ist und sich entlang der Messachsenrichtung relativ zu dem Skalenmuster bewegt. Der Detektorabschnitt umfasst eine Vielzahl von Sensorelementen und eine Signalverarbeitungskonfiguration. Die Vielzahl von Sensorelementen ist entlang der Messachsenrichtung angeordnet und ist dafür konfiguriert, Detektorsignale bereitzustellen, die der relativen Position zwischen dem Detektorabschnitt und dem Skalenmuster entsprechen. Die Signalverarbeitungskonfiguration ist mit dem Detektorabschnitt wirkverbunden und bestimmt die relative Position zwischen dem Detektorabschnitt und dem Skalenmuster basierend auf von dem Detektorabschnitt eingegebenen Detektorsignalen. Die Vielzahl von Sensorelementen umfasst mindestens eine erste Gruppe von Sensorelementen und eine zweite Gruppe von Sensorelementen. Die erste Gruppe von Sensorelementen umfasst N Sensorelemente, die in N gleich beabstandeten Phasen der Skalenperiode Ps angeordnet sind. Die zweite Gruppe von Sensorelementen umfasst N Sensorelemente, die in N gleich beabstandeten Phasen der Skalenperiode Ps angeordnet sind. Die zweite Gruppe von Sensorelementen befindet sich an einer Gruppenposition, die K2*Ps+Ps/M relativ zu dem ersten Satz von Sensorelementen entlang der Messachsenrichtung entspricht, wobei K2 und M Ganzzahlen sind. Die Signalverarbeitungskonfiguration ist dafür konfiguriert, selbstständig einen ersten Satz von Detektorsignalen von der ersten Gruppe von Sensorelementen und einen zweiten Satz von Detektorsignalen von der zweiten Gruppe von Sensorelementen zu erfassen und die relative Position zwischen dem Detektorabschnitt und dem Skalenmuster basierend auf dem ersten Satz von Detektorsignalen und dem zweiten Satz von Detektorsignalen zu bestimmen.
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Offenbart wird ein Verfahren zum Reduzieren von Kurzbereichsfehlern beim Bestimmen einer relativen Positionsmessung eines Skalenmusters relativ zu einem Detektorabschnitt entlang einer Messachsenrichtung, wie durch einen elektronischen Positionsgeber gemessen, und wobei der Detektorabschnitt einen Signalverarbeitungsabschnitt umfasst. Das Verfahren umfasst:
- Betreiben des Detektorabschnitts, um eine erste räumliche Phase unter Verwendung einer ersten Gruppe von Sensorelementen zu messen, die N Sensorelemente umfasst, die in gleich beabstandeten Phasen einer Skalenperiode Ps des Skalenmuster auf dem Detektorabschnitt an einer ersten Gruppenposition angeordnet sind;
- Betreiben des Detektorabschnitts, um eine zweite räumliche Phase unter Verwendung einer zweiten Gruppe von Sensorelementen zu messen, die N Sensorelemente umfasst, die in gleich beabstandeten Phasen einer Skalenperiode Ps des Skalenmusters auf dem Detektorabschnitt an einer zweiten Gruppenposition, die entlang der Messachsenrichtung auf dem Detektorabschnitt um K2*Ps+Ps/M relativ zu der ersten Gruppenposition versetzt ist, angeordnet sind, wobei K2 und M Ganzzahlen sind; und
- Betreiben des Signalverarbeitungsabschnitts, um die relative Position zwischen dem Skalenmuster und dem Detektorabschnitt entlang der Messachsenrichtung basierend auf einer Kombination der ersten und zweiten räumlichen Phase zu bestimmen.
- Es sollte verstanden werden, dass typische dreiphasige und vierphasige Geber Fehlerkorrekturen und eine Kompensation an Detektorsignalen vornehmen, bevor eine Position berechnet wird, wohingegen die hierin offenbarten Prinzipien zum Reduzieren von Fehlern vorgenommen werden, nachdem mehrere Positionen unter Verwendung von dreiphasigen, vierphasigen und ähnlichen Positionsberechnungstechniken berechnet werden.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Schaubild in einer auseinandergezogenen isometrischen Ansicht eines handbetätigen Messschiebers, der eine beispielhafte Anwendung für einen Geber gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
- 2A ist ein schematisches Schaubild eines Abschnitts einer Skala, die in einem elektronischen Positionsgeber verwendet werden kann.
- 2B ist ein schematisches Schaubild eines Detektorabschnitts, der in Verbindung mit der Skala von 2A verwendet werden kann.
- 2C ist ein schematisches Schaubild eines verallgemeinerten Detektorabschnitts, der in einem elektronischen Positionsgeber verwendet werden kann.
- 3A zeigt ein Kurvenbild einer ersten Phase, einer zweiten Phase und einer synthetischen Phase in Abhängigkeit einer Position X entlang einer Messachsenrichtung, wie durch einen elektronischen Positionsgeber gemessen.
- 3B zeigt ein Kurvenbild eines ersten Fehlerkomponentenbeitrags, eines zweiten Fehlerkomponentenbeitrags und eines aufsummierten Fehlerbeitrags in Abhängigkeit der Position X von 3A.
- 4 zeigt Kurvenbilder von Detektorsignalen von einem einzelnen Satz von durch verschiedene Bedingungen beeinflussten Sensorelementen eines elektronischen Positionsgebers, die entsprechenden Kurvenbildern der aus diesen Bedingungen resultierenden primären Fehlerkomponentenbeitrage gegenübergestellt sind.
- 5 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Reduzieren von Kurzbereichsfehlern beim Bestimmen einer relativen Positionsmessung eines Skalenmusters relativ zu einem Detektorabschnitt entlang einer Messachsenrichtung, wie durch einen elektronischen Positionsgeber gemessen, zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 ist ein Schaubild in einer auseinandergezogenen isometrischen Ansicht eines handbetätigen Messschiebers 100, der ein Skalenteil 102, der einen Holm mit einem ungefähr rechtwinkligen Querschnitt mit einer Skala 170 aufweist, und eine Schieberbaugruppe 120 umfasst. 1 stellt X-, Y-, Z-Achsen als Referenz dar. Die Messachsenrichtung ist parallel zu der X-Achse. Die Betriebsweise von solchen Messschiebern ist im Allgemeinen bekannt, und der Messschieber 100 wird hier nur kurz beschrieben, um einige beispielhafte praktische Anforderungen anzuzeigen, die verschiedene Probleme und/oder Designeinschränkungen hervorrufen, die wünschenswerterweise durch ein Geberdesign, wie das hierin offenbarte, gelöst werden. Wie in 1 gezeigt kann die Skala 170 ein Signalmodulations-Skalenmuster 170x (schematisch dargestellt) umfassen, das sich entlang der Messachsenrichtung MA (der X-Achse) erstreckt. Das variable Suffix „x“ wird hierin durch unterschiedliche Buchstaben ersetzt, um unterschiedliche entsprechende Signalmodulations-Skalenmuster zu bezeichnen. Das Signalmodulations-Skalenmuster 170x kann ein absolutes sein, das einen entsprechenden absoluten Bereich R entlang der Messachsenrichtung definiert, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben. In vielen handelsüblichen Messschiebern wird das Signalmodulationsmuster 170x auf einer fest aufgeklebten Leiterplatte ausgebildet. Eine bekannte Art von Deckschicht 172 (z.B. 100 µm dick) kann die Skala 170 abdecken. Feststehende Backen 108 und 110 nahe einem ersten Ende des Skalenteils 102 und bewegliche Backen 116 und 118 an der Schieberbaugruppe 120 werden verwendet, um in bekannter Weise Abmessungen von Objekten zu messen. Die Schieberbaugruppe 120 kann gegebenenfalls eine Tiefenlehre 162 umfassen, die durch einen Endanschlag in einer Tiefenlehrennut 152 unter dem Skalenteil 102 gehalten wird. Ein Tiefenlehren-Eingriffsende 128 kann sich in eine Bohrung erstrecken, um ihre Tiefe zu messen. Eine Abdeckung 139 der Schieberbaugruppe 120 kann einen Ein-/Aus-Schalter 134 und einen Nullstellungsschalter 136 und eine Messanzeige 138 umfassen. Eine Basis 140 der Schieberbaugruppe 120 umfasst eine Führungskante 142, die eine Seitenkante 146 des Skalenteil 102 kontaktiert, und Schrauben 147 spannen einen federnden Druckstab 148 gegen eine passende Kante des Skalenteils 102 vor, um eine korrekte Ausrichtung zum Messen sicherzustellen, und um einen Lesekopfabschnitt 164 relativ zu der Skala 170 zu bewegen.
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Eine an der Basis befestigte Aufnehmerbaugruppe 160 hält den Lesekopfabschnitt 164, der in dieser Ausführungsform das Substrat 162 (z.B. eine Leiterplatte) umfasst, das einen Sensorabschnitt oder Detektor 167 (z.B. eine Felderzeugungs- und Sensorwicklungs-Konfiguration) trägt, der Sensorelemente 169 und eine Signalverarbeitungs- und Steuer-Schaltung 166 umfasst. In der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe „Sensorabschnitt“ und „Detektor“ oft austauschbar verwendet, sofern nicht anders durch eine Beschreibung oder einen Zusammenhang angegeben. Eine flexible Dichtung 163 kann zwischen der Abdeckung 139 und dem Substrat 162 zusammengepresst werden, um Verschmutzung von den Schaltungen und Verbindungen fernzuhalten. Der Sensorabschnitt 176 kann durch eine Isolierbeschichtung abgedeckt sein. In einem spezifischen erläuternden Beispiel kann der Sensorabschnitt 167 parallel zu Skala 170 und dieser gegenüberliegend durch einen Spalt in der Größenordnung von 0,5 mm entlang der Tiefenrichtung (Z-Richtung) getrennt angeordnet sein. Zusammen können der Lesekopfabschnitt 164 und die Skala 170 einen Messwandler bilden (z.B. einen induktiven Messwandler oder Wirbelstrom-Messwandler, der durch Erzeugen wechselnder Magnetfelder arbeitet).
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2A ist ein schematisches Schaubild eines Abschnitts einer Skala 210, die in einem elektronischen Positionsgeber 200 verwendet werden kann und die als ein Messwandler in ein Messsystem wie den Messschieber 100 integriert werden kann. Der elektronische Positionsgeber 200 kann verwendet werden, um eine relative Position zwischen zwei Elementen entlang einer Messachsenrichtung MA zu messen. Die Skala 210 erstreckt sich entlang der Messachsenrichtung und umfasst ein periodisches Skalenmuster 211 entlang der Messachsenrichtung MA und weist eine Skalenperiode Ps auf. In einigen Ausführungen kann das periodische Skalenmuster 211 Magnetfluss-Kopplungsschlaufen umfassen, die einen Wechsel-Magnetfluss entlang der Messachsenrichtung MA räumlich modulieren. Alternativ kann das Skalenmuster Metallplatten in einem Lesekopf, die für einen Wirbelstrom-Messwandler konfiguriert sind, oder Chromelemente auf einem Glassubstrat für einen optischen Geber umfassen. Der Einfachheit halber wird das Skalenmuster 211 als ein periodisches Muster von rechtwinkligen Komponenten gezeigt, die sich in einer Skalenperiode Ps befinden.
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2B ein schematisches Schaubild eines Detektorabschnitts 220, der in Verbindung mit der Skala 210 von 2A in dem elektronischen Positionsgeber 200 verwendet werden kann. Der Detektorabschnitt 220 ist dafür konfiguriert, nahe an dem Skalenmuster 211 befestigt zu werden und sich entlang der Messachsenrichtung MA relativ zu dem Skalenmuster 211 zu bewegen. Der Detektorabschnitt 220 umfasst Sensorelemente 230 und eine Signalverarbeitungskonfiguration 240. Die Sensorelemente 230 sind entlang der Messachsenrichtung MA angeordnet und dafür konfiguriert, Detektorsignale bereitzustellen, die der relativen Position zwischen dem Detektorabschnitt 220 und dem Skalenmuster 211 entsprechen. Die Sensorelemente 230 werden der Einfachheit halber als dünne Rechtecke gezeigt, um räumliche Beziehungen darzustellen. Es sollte verstanden werden, dass realistischere Sensorelemente komplexere elektromagnetische Schlaufen oder andere geeignete Strukturen zum Messen der relativen Position einsetzen können.
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Die Signalverarbeitungskonfiguration 240 ist mit dem Detektorabschnitt wirkverbunden und bestimmt die relative Position zwischen dem Detektorabschnitt 220 und dem Skalenmuster 211 basierend auf von dem Detektorabschnitt 220 eingegebenen Detektorsignalen. Die Sensorelemente 230 umfassen einen ersten Satz von Sensorelementen 231 und einem zweiten Satz von Sensorelementen 232. Der erste Satz von Sensorelementen 231 umfasst drei Sensorelemente, die in drei gleich beabstandeten Phasen der Skalenperiode Ps angeordnet sind. Der zweite Satz von Sensorelementen 232 umfasst drei Sensorelemente, die in drei gleich beabstandeten Phasen der Skalenperiode Ps angeordnet sind. Der zweite Satz von Sensorelementen 232 befindet sich an einer Gruppenposition GP, die in einem Ps/4 entsprechenden Abstand relativ zu den ersten Sensorelementen 231 entlang der Messachsenrichtung MA verschoben ist. Die Signalverarbeitungskonfiguration 240 ist dafür konfiguriert, selbstständig einen ersten Satz von Detektorsignalen von dem ersten Satz von Sensorelementen 231 und den zweiten Satz von Detektorsignalen von dem zweiten Satz von Sensorelementen 232 zu erfassen und die relative Position zwischen dem Detektorabschnitt 220 und dem Skalenmuster 211 basierend auf dem ersten Satz von Detektorsignalen und dem zweiten Satz von Detektorsignalen zu bestimmen.
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In einigen Ausführungen kann der elektronische Positionsgeber 200 ein elektronischer Absolut-Positionsgeber sein, der mehrere Skalenspuren umfasst. Das Skalenmuster 211 kann eine Inkrementalspur sein, die mit mindestens einer zusätzlichen Spur verkoppelt ist, um eine absolute Position zu bestimmen.
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In einigen Ausführungen kann die Signalverarbeitungskonfiguration 240 einen Vorverstärker 241 umfassen, der dafür konfiguriert ist, gemultiplexte Positionssignale von sowohl dem ersten Satz von Sensorelementen 231 als auch dem zweiten Satz von Sensorelementen 232 zu empfangen. Dies kann sicherstellen, dass Offset- und Amplitudenfehler von den Verstärkern für sowohl den ersten Satz von Sensorelementen 231 als auch den zweiten Satz von Sensorelementen 232 gleichartig sind.
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In einigen Ausführungen kann der elektronische Positionsgeber 200 ferner eine erste elektronische Verbindung zwischen dem ersten Satz von Sensorelementen 231 und der Signalverarbeitungskonfiguration 240 und eine zweite elektronische Verbindung zwischen dem zweiten Satz von Sensorelementen 231 und der Signalverarbeitungskonfiguration 240 umfassen, und die erste elektronische Verbindung und die zweite elektronische Verbindung können relativ zueinander symmetrisch sein. Dies kann eine optimale Unterdrückung von Fehlern aus einem Offset-Versatz bereitstellen.
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Verschiedene Alternativen zu der in 2A und 2B gezeigten Ausführung können gemäß den hierin offenbarten Prinzipien verwendet werden. 2C ist ein schematisches Schaubild eines verallgemeinerten Detektorabschnitts 220', der in einem elektronischen Positionsgeber verwendet werden kann. Der Detektorabschnitt 220 von 2B zeigt den ersten Satz von Sensorelementen 231 und den zweiten Satz von Sensorelementen 232 in einer verschachtelten Anordnung. Alternative Anordnungen sind jedoch möglich. 2C zeigt als 2XX' markierte ähnliche Elemente, die den Elementen 2XX in 2A und 2B ähnlich sind. Wie in 2C gezeigt, umfassen die Sensorelemente 230' einen ersten Satz von Sensorelementen 231' und einen zweiten Satz von Sensorelementen 232'. Die zweite Gruppe von Sensorelementen 232' befindet sich an einer Gruppenposition GP', die K2*Ps+Ps/4 relativ zu der ersten Gruppe von Sensorelementen 231' entlang der Messachsenrichtung MA entspricht.
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Im Allgemeinen umfasst ein elektronischer Positionsgeber gemäß den hierin offenbarten Prinzipien eine Skala und einen Detektorabschnitt. Die Skala erstreckt sich entlang der Messachsenrichtung und umfasst ein periodisches Skalenmuster entlang der Messachsenrichtung mit einer Skalenperiode Ps. Der Detektorabschnitt ist dafür konfiguriert, nahe an dem Skalenmuster befestigt zu werden und sich entlang der Messachsenrichtung relativ zu dem Skalenmuster zu bewegen. Der Detektorabschnitt umfasst eine Vielzahl von Sensorelementen und eine Signalverarbeitungskonfiguration. Die Vielzahl von Sensorelementen ist entlang der Messachsenrichtung angeordnet und ist dafür konfiguriert, Detektorsignale bereitzustellen, die der relativen Position zwischen dem Detektorabschnitt und dem Skalenmuster entsprechen. Die Signalverarbeitungskonfiguration ist mit dem Detektorabschnitt wirkverbunden und bestimmt die relative Position zwischen dem Detektorabschnitt und dem Skalenmuster basierend auf von dem Detektorabschnitt eingegebenen Detektorsignalen. Die Vielzahl von Sensorelementen umfasst mindestens eine erste Gruppe von Sensorelementen und eine zweite Gruppe von Sensorelementen. Die erste Gruppe von Sensorelementen umfasst N Sensorelemente, die in N gleich beabstandeten Phasen der Skalenperiode Ps angeordnet sind. Die zweite Gruppe von Sensorelementen umfasst N Sensorelemente, die in N gleich beabstandeten Phasen der Skalenperiode Ps angeordnet sind. Die zweite Gruppe von Sensorelementen befindet sich an einer Gruppenposition, die K2*Ps+Ps/M relativ zu dem ersten Satz von Sensorelementen entlang der Messachsenrichtung entspricht, wobei K2 und M Ganzzahlen sind. Die Signalverarbeitungskonfiguration ist dafür konfiguriert, selbstständig einen ersten Satz von Detektorsignalen von der ersten Gruppe von Sensorelementen und einen zweiten Satz von Detektorsignalen von der zweiten Gruppe von Sensorelementen zu erfassen und die relative Position zwischen dem Detektorabschnitt und dem Skalenmuster basierend auf dem ersten Satz von Detektorsignalen und dem zweiten Satz von Detektorsignalen zu bestimmen. In einigen Ausführungen kann M eines von 2, 3 oder 4 sein.
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Es sollte verstanden werden, dass das in den 2B und 2C gezeigte Beispiel einen ersten Satz von Sensorelementen und einen zweiten Satz von Sensorelementen mit verschiedenartigen Sensorelementen zeigt. In einigen alternativen Ausführungsformen teilen sich der erste Satz von Sensorelementen und der zweite Satz von Sensorelementen mindestens ein gemeinsames Sensorelement. Diese Anordnung erfordert weniger Sensorelemente. Der erste Satz von Sensorelementen und der zweite Satz von Sensorelementen können dafür konfiguriert sein, gemultiplexte Signale an eine Signalverarbeitungskonfiguration bereitzustellen. In solchen Ausführungen kann M gleich 3 sein und N kann gleich 3 sein. Eine solche Ausführung erfordert ein Minimum von sieben Sensoren, gegenüber neun Sensoren bei Fehlen von gemeinsamen Elementen.
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3A zeigt ein Kurvenbild 300A in Bogenmaßeinheiten einer ersten räumlichen Phase 310A, einer zweiten räumlichen Phase 320A und einer synthetischen räumlichen Phase in Abhängigkeit einer Position X/Ps entlang einer Messachsenrichtung, wie durch einen elektronischen Positionsgeber gemessen, der in ähnlicher Weise wie der elektronische Positionsgeber 200 angeordnet ist. In einigen Ausführungen kann die Signalverarbeitungskonfiguration 240 dafür konfiguriert sein, die erste räumliche Phase 310A des periodischen Skalenmusters 211 relativ zu dem ersten Satz von Sensorelementen 231 basierend auf dem ersten Satz von Detektorsignalen zu bestimmen, die zweite räumliche Phase 320A des periodischen Skalenmusters 211 relativ zu dem zweiten Satz von Sensorelementen 232 basierend auf dem zweiten Satz von Detektorsignalen zu bestimmen, und die relative Position X zwischen dem Detektorabschnitt 220 und dem Skalenmuster 211 basierend auf der synthetischen räumlichen Phase 330A, die eine Summe der ersten Phase 310A und der zweiten Phase 320A ist, zu bestimmen. Es sollte verstanden werden, dass, wie in 3A gezeigt, die synthetische Phase 330A eine Periode von Ps/2 entlang der Messachsenrichtung aufweist. Die Signalverarbeitungskonfiguration 240 bestimmt die relative Position zwischen dem Detektorabschnitt 220 und dem Skalenmuster 211 durch Multiplizieren der synthetischen Phase 330A mit der Periode der synthetischen Phase 330A, die Ps/2 ist.
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3B zeigt ein Kurvenbild 300B eines ersten Fehlerkomponentenbeitrags 310B, eines zweiten Fehlerkomponentenbeitrags 320B und eines aufsummierten Fehlerbeitrags 330B in Abhängigkeit der Position X/Ps von 3A, in Prozenteinheiten der Skalenperiode Ps. Der erste Fehlerkomponentenbeitrag 310B ist ein Fehler in der ersten räumlichen Phase 310A und der zweite Komponentenbeitrag 320B ist ein Fehler der zweiten räumlichen Phase 320A. Der erste Fehlerkomponentenbeitrag 310B und der zweite Fehlerkomponentenbeitrag 320B sind das Ergebnis eines Amplitudenversatzes, Phasenversatzes, einer fünften Harmonischen in den Detektorsignalen und einer siebten Harmonischen in den Detektorsignalen. Wie im Kurvenbild 300B gezeigt, sind der erste Fehlerkomponentenbeitrag 310B und der zweite Fehlerkomponentenbeitrag 320B für jeden Wert der Position X in der Größe gleich und im Vorzeichen entgegengesetzt, da sich der zweite Satz von Sensorelementen 232 an einer Gruppenposition GP befindet, der um einen Ps/4 entsprechenden Abstand relativ zu dem ersten Satz von Sensorelementen 231 entlang der Messachsenrichtung MA verschoben ist. Da die synthetische räumliche Phase 330A eine Summe der ersten räumlichen Phase 310A und der zweiten räumlichen Phase 320A ist, ist daher der aufsummierte Fehlerkomponentenbeitrag 330B für jeden Wert der Position X gleich Null.
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Die Bauform von verschiedenen Elementen von Skalen und Detektoren in einem induktiven Messschieber kann durch die gemeinsam übertragene
US-Patentanmeldung Nr. 14/871,386 verstanden werden, die hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich mit aufgenommen ist. Ein ähnlicher Messschieber oder einer der gemäß der Bauform von bekannten handelsüblichen induktiven Messschiebern aufgebaut ist, kann ähnliche Fehler wie die in
3B gezeigten hervorrufen. In solchen Systemen, die einen einzelnen Satz von drei Sensorelementen einsetzen, kann ein typischer Fehler in einer dreiphasigen Messung unter Verwendung einer 5,4 mm Skalenperiode Ps einen Spitze-Spitze-Wert von 18,3 Mikrometern aufweisen, der einen Kurzbereichsfehler von ungefähr 12 Mikrometern umfasst. In einigen Ausführungen kann ein Detektorabschnitt, der ähnlich wie der Detektorabschnitt
220 mit zwei Sätzen von drei Sensorelementen konfiguriert ist, diesen Fehler auf einen Spitze-Spitze-Wert von 11,1 Mikrometer reduzieren, der einen reduzierten Kurzbereichsfehler von ungefähr 5 Mikrometern umfasst. In einigen Ausführungen kann ein mit vier Sätzen von drei Sensorelementen konfigurierter Detektorabschnitt diesen Fehler auf einen Spitzenwert von 6,1 Mikrometern reduzieren, der einen reduzierten Kurzbereichsfehler von ungefähr 1 Mikrometer umfasst.
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4 zeigt in Einheiten von Ps/1000 Kurvenbilder von Detektorsignalen von einem einzelnen Satz von Sensorelementen eines dreiphasigen elektronischen Positionsgebers, der durch verschiedene Bedingungen in Abhängigkeit einer Position X/Ps beeinflusst wird, die entsprechenden Kurvenbildern von primären Fehlerkomponentenbeiträgen, die aus diesen Bedingungen in Abhängigkeit der Position X/Ps resultieren, gegenübergestellt sind, wobei Ps die Skalenperiode ist. Die Kurvenbilder von Detektorsignalen zeigen jeweils drei Phasen, wie durch eine Gruppe von Sensorelementen in einem dreiphasigen Geber, wie der ersten Gruppe von Sensorelementen 231, gemessen. Die Kurvenbilder von Fehlerkomponentenbeiträgen zeigen jeweils Fehler, die nach dem Berechnen einer Phasenmessung unter Verwendung einer Arcustangensfunktion eingeleitet werden (z.B. wie in dem ‚387-Patent offenbart). Ein Kurvenbild 401 zeigt Detektorsignale 401A, 401B und 401 C, die durch einen Offset-Versatz beeinflusst werden. Ein Kurvenbild 401‘ zeigt einen Fehlerkomponentenbeitrag 411, der eine erste Harmonische einer Skalenperiode Ps ist, der ein Ergebnis des Offset-Versatzes ist. Ein Kurvenbild 402 zeigt Detektorsignale 402A, 402B und 402C, die durch einen Amplitudenversatz beeinflusst werden. Ein Kurvenbild 402' zeigt einen Fehlerkomponentenbeitrag 412, der eine zweite Harmonische der Skalenperiode Ps ist, der ein Ergebnis des Amplitudenversatzes ist. Ein Kurvenbild 403 zeigt Detektorsignale 403A, 403B und 403C, die durch einen Phasenversatz beeinflusst werden. Ein Kurvenbild 403' zeigt einen Fehlerkomponentenbeitrag 413, der eine zweite Harmonische der Skalenperiode Ps ist, der ein Ergebnis des Phasenversatzes ist. Ein Kurvenbild 404 zeigt Detektorsignale 404A, 404B und 404C, die durch eine Komponente der zweiten Harmonischen in den Detektorsignalen beeinflusst wird. Ein Kurvenbild 404' zeigt einen Fehlerkomponentenbeitrag 414, der eine dritte Harmonische der Skalenperiode Ps ist, der ein Ergebnis der Komponente der zweiten Harmonischen in den Detektorsignalen 404A, 404B und 404C ist. Ein Kurvenbild 405 zeigt Detektorsignale 405A, 405B und 405C, die durch eine Komponente der dritten Harmonischen in den Detektorsignalen beeinflusst werden. Ein Kurvenbild 405' zeigt einen Fehlerkomponentenbeitrag 415, der durch Verwendung eines einzelnen dreiphasigen Satzes von Sensorelementen natürlich unterdrückt wird und daher einen konstanten Nullwert aufweist. Ein Kurvenbild 406 zeigt Detektorsignale 406A, 406B und 406C, die durch eine Komponente der vierten Harmonischen in den Detektorsignalen beeinflusst werden. Ein Kurvenbild 406' zeigt einen Fehlerkomponentenbeitrag 416, der eine dritte Harmonische der Skalenperiode Ps ist, der ein Ergebnis der Komponente der vierten Harmonischen in den Detektorsignalen 406A, 406B und 406C ist. Ein Kurvenbild 407 zeigt Detektorsignale 407A, 407B und 407C, die durch eine Komponente der fünften Harmonischen in den Detektorsignalen beeinflusst werden. Ein Kurvenbild 407' zeigt einen Fehlerkomponentenbeitrag 417, der eine sechste Harmonische der Skalenperiode Ps ist, der ein Ergebnis der Komponente der fünften Harmonischen in den Detektorsignalen 407A, 407B und 407C ist. Ein Kurvenbild 408 zeigt Detektorsignale 408A, 408B und 408C, die durch eine Komponente der sechsten Harmonischen in den Detektorsignalen beeinflusst wird. Ein Kurvenbild 408' zeigt einen Fehlerkomponentenbeitrag 418, der durch Verwendung eines einzelnen dreiphasigen Satzes von Sensorelementen natürlich unterdrückt wird und daher einen konstanten Nullwert aufweist. Ein Kurvenbild 409 zeigt Detektorsignale 409A, 409B und 409C, die durch eine siebte harmonische Komponente in den Detektorsignalen beeinflusst werden. Ein Kurvenbild 409' zeigt einen Fehlerkomponentenbeitrag 419, der eine sechste Harmonische der Skalenperiode Ps ist, der ein Ergebnis der Komponente der siebten Harmonischen in den Detektorsignalen 409A, 409B und 409C ist.
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In einer Ausführung wird ein Detektorabschnitt mit zwei Sätzen von Sensorelementen, die um einen Ps/4 entsprechenden Abstand relativ zueinander verschoben sind (z.B. Detektorabschnitt 220), die Fehlerkomponentenbeiträge 412 und 413, die aus dem in den Kurvenbildern 402' und 403' gezeigten Amplituden- und Phasenversatz resultieren, sowie die in den Kurvenbildern 407' und 409' gezeigten Fehlerkomponentenbeiträge 417 und 419, die aus jeweiligen Komponenten der fünften und siebten Harmonischen in Detektorsignalen resultieren, unterdrücken.
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In einigen Ausführungen kann in einem gemäß den hierin offenbarten allgemeinen Prinzipien aufgebauten elektronischen Positionsgeber M gleich 4 sein und N kann gleich 3 sein, die Sensorelemente können ferner einen dritten Satz von Sensorelementen und einen vierten Satz von Sensorelementen umfassen, der dritte Satz von Sensorelementen kann drei in drei gleich beabstandeten Phasen der Skalenperiode Ps angeordnete Sensorelemente umfassen und kann sich an einer Gruppenposition befinden, die um einen K3*Ps+Ps/4 entsprechenden Abstand relativ zu dem zweiten Satz von Sensorelementen entlang der Messachsenrichtung verschoben ist, wobei K3 eine Ganzzahl ist, der vierte Satz von Sensorelementen kann drei Sensorelemente umfassen, die in drei gleich beabstandeten Phasen der Skalenperiode Ps angeordnet sind und kann sich an einer Gruppenposition befinden, die um einen K4*Ps+Ps/4 entsprechenden Abstand relativ zu dem dritten Satz von Sensorelementen entlang der Messachsenrichtung verschoben ist, wobei K4 eine Ganzzahl ist, und die Signalverarbeitungskonfiguration 240 kann dafür konfiguriert sein, um selbstständig einen dritten Satz von Detektorsignalen aus dem dritten Satz von Sensorelementen und einen vierten Satz von Detektorsignalen aus dem vierten Satz von Sensorelementen zu erfassen und die relative Position zwischen dem Detektorabschnitt 220 und dem Skalenmuster 211 basierend auf dem ersten, zweiten, dritten und vierten Satz von Detektorsignalen zu bestimmen. Im Allgemeinen wird ein Detektorabschnitt mit M Sätzen von Sensorelementen, die um K2*Ps+Ps/M voneinander beabstandet sind (wobei K2 und A Ganzzahlen sind), alle Harmonischen von Fehlerkomponentenbeiträgen mit Ausnahme der A*M-nten Harmonischen unterdrücken. Ausführungen unter Verwendung von N=3 erzeugen keine 4-ten und 8-ten Harmonischen der Fehlerkomponentenbeiträge. Eine Ausführung, die erste, zweite, dritte und vierte Sätze von Sensorelementen (M=4) umfasst, die um einen Abstand Ps/4 voneinander beabstandet sind und drei Sensorelemente (N=3) umfasst, kann Fehlerkomponentenbeitrage bis zu einer 12-ten Harmonischen eines Fehlerkomponentenbeitrags, die einer 11-ten Harmonischen des Detektorsignals entspricht, unterdrücken. Es sollte verstanden werden, dass ein elektronischer Positionsgeber, der gemäß den hierin offenbarten Prinzipien konfiguriert ist, mehrere Vorteile gegenüber bekannten Gebern bietet. Neigungskompensation, wie die im '990-Patent offenbarte, ist nicht notwendig. Fehler aus einem Amplitudenversatz, Phasenversatz, Signaldrift, fünften Harmonischen und siebten Harmonischen werden unterdrückt. Offset-Versatzfehler werden reduziert.
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Es gibt ein paar Kompromisse für einen gemäß den hierin offenbarten Prinzipien konfigurierten elektronischen Positionsgeber. Eine oder mehrere Arcustangensberechnungen sind notwendig, um eine Positionsmessung bereitzustellen, was mehr Energie verbraucht. Ein oder mehrere Sende- und Lese-Zyklen können notwendig sein, was ebenfalls mehr Energie verbraucht. Ferner sind zusätzliche Sensorelemente auf einem Lesekopfchip erforderlich, um einer erste Gruppe von Sensorelementen, eine zweite Gruppe von Sensorelementen und beliebige zusätzliche Gruppen von Sensorelementen bereitzustellen, was einen größeren Lesekopf erfordert.
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Es sollte verstanden werden, dass ein gemäß den hierin offenbarten Prinzipien konfigurierter elektronischer Positionsgeber nicht auf induktives Messen oder Wirbelstrommessen beschränkt ist. Ein elektronischer Positionsgeber kann ferner für andere Messprinzipien, wie optisches oder kapazitives Messen ausgelegt werden.
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5 ist ein Ablaufdiagramm 500, das ein Verfahren zum Reduzieren von Kurzbereichsfehlern beim Bestimmen einer relativen Positionsmessung eines Skalenmusters relativ zu einem Detektorabschnitt entlang einer Messachsenrichtung, wie durch einen elektronischen Positionsgeber gemessen, zeigt.
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Bei einem Block 510 wird der Detektorabschnitt betrieben, um eine erste räumliche Phase unter Verwendung einer ersten Gruppe von Sensorelementen zu messen, die N Sensorelemente umfasst, die in gleich beabstandeten Phasen einer Skalenperiode Ps des Skalenmusters auf dem Detektorabschnitt an einer ersten Gruppenposition angeordnet sind.
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Bei einem Block 520 wird der Detektorabschnitt betrieben, um eine zweite räumliche Phase unter Verwendung einer zweiten Gruppe von Sensorelementen zu messen, die N Sensorelemente umfasst, die in gleich beabstandeten Phasen einer Skalenperiode Ps des Skalenmusters auf dem Detektorabschnitt an einer zweiten Gruppenposition angeordnet sind, die entlang der Messachsenrichtung auf dem Detektorabschnitt um K2*Ps+Ps/M relativ zu der ersten Gruppenposition versetzt ist, wobei K2 und M Ganzzahlen sind.
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Bei einem Block 530 wird der Signalverarbeitungsabschnitt betrieben, um die relative Position zwischen dem Skalenmuster und dem Detektorabschnitt entlang der Messachsenrichtung basierend auf einer Kombination der ersten und zweiten Phase zu bestimmen.
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In einigen Ausführungen kann das Betreiben des Detektorabschnitts, um die relative Position zwischen dem Skalenmuster und dem Detektorabschnitt entlang der Messachsenrichtung zu bestimmen, das Aufsummieren der ersten räumlichen Phase und der zweiten räumlichen Phase umfassen.
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Verschiedene oben beschriebene Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen bereitzustellen. Alle US-Patentschriften, auf die in dieser Patentschrift Bezug genommen wird, sind hierin durch Bezugnahme vollinhaltlich mit aufgenommen. Aspekte der Ausführungsformen können, falls notwendig, modifiziert werden, um Konzepte der verschiedenen Patente einzusetzen, um noch weitere Ausführungsformen bereitzustellen.
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Diese und andere Änderungen können hinsichtlich der oben ausgeführten Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sollten in den folgenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe nicht als die Ansprüche auf die in der Patentschrift offenbarten spezifischen Ausführungsformen beschränkend ausgelegt werden, sondern sollten dahingehend ausgelegt werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, zu denen solche Ansprüche berechtigt sind, umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6011389 [0002]
- US 6329813 [0005]
- US 6005387 [0005]
- US 5886519 [0005]
- US 5998990 [0005]
- US 6487787 [0005]
- US 14871386 [0022]
