DE102021134389A1 - Sensorwicklungskonfiguration für induktiven positionscodierer - Google Patents

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Abstract

Ein Positionscodierer vom induktiven Typ enthält eine Skala, einen Detektorabschnitt und einen Signalprozessor. Die Skala enthält ein periodisches Muster von Signalmodulationselementen (SME), die entlang einer Messachse mit einer räumlichen Wellenlänge W1 angeordnet sind. Die SME im Muster umfassen ähnliche leitfähige Platten oder Schleifen. Der Detektorabschnitt umfasst Sensorelemente und eine felderzeugende Spule, die einen sich ändernden Magnetfluss erzeugt. Die Sensorelemente können leitfähige Schleifenabschnitte umfassen, die entlang der Messachse angeordnet und dazu konfiguriert sind, Detektorsignale bereitzustellen, die auf einen lokalen Effekt auf den sich ändernden Magnetfluss reagieren, der von benachbarten SMEs bereitgestellt wird. In verschiedenen Implementierungen werden SMEs mit einer durchschnittlichen Dimension DSME entlang der Messachsenrichtung von mindestens 0,55*W1 und höchstens 0,8*W1 mit Sensorelementen mit einer durchschnittlichen Dimension entlang der Messachsenrichtung von mindestens 0,285*W1 und höchstens 0,315*W1 kombiniert, was die Detektorsignalgenauigkeit verbessert.

Description

  • HINTERGRUND
  • Technisches Gebiet
  • Diese Offenbarung betrifft Messinstrumente und insbesondere induktive Positionscodierer, die in Präzisionsmessinstrumenten verwendet werden können.
  • Beschreibung der verwandten Technik
  • Verschiedene Codiererkonfigurationen können verschiedene Typen von optischen, kapazitiven, magnetischen, induktiven, Bewegungs- und/oder Positionswandlern einschließen. Diese Wandler verwenden verschiedene geometrische Konfigurationen eines Senders und eines Empfängers in einem Lesekopf, um die Bewegung zwischen dem Lesekopf und einer Skala zu messen.
  • Die US-Patente Nr. 6,011,389 (das '389-Patent) und 6,124,708 (das '708-Patent) beschreiben Induktionsstrom-Positionswandler, die in hochgenauen Anwendungen verwendbar sind; die US-Patente Nr. 5,973,494 (das '494-Patent) und 6,002,250 (das '250-Patent) beschreiben induktive Inkrementalpositionsmessschieber und lineare Skalen, einschließlich Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltungen; und die US-Patente Nr. 5,886,519 (das '519-Patent), 5,841,274 (das '274-Patent) und 5,894,678 (das '678-Patent) beschreiben induktive Absolutpositionsmessschieber und elektronische Bandmaße, die einen Induktionsstromwandler verwenden. Die US-Patente Nr. 10,520,335 (das '335-Patent), 10,612,943 (das '943-Patent) und 10,775,199 (das '199-Patent) offenbaren Verfeinerungen der Wicklungskonfiguration, die zum Verbessern der Genauigkeit, Robustheit und Leichtigkeit der Ausrichtung von induktiven Positionscodierern nützlich sind. Alle vorstehenden Patentschriften werden hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen. Wie in diesen Patenten und Anmeldungen beschrieben, kann ein Induktionsstromwandler unter Verwendung von Leiterplattentechnologie hergestellt werden und ist weitgehend immun gegen Kontamination. Derartige Systeme können jedoch in ihrer Fähigkeit eingeschränkt sein, bestimmte Kombinationen von von Benutzern gewünschten Merkmalen bereitzustellen, wie z. B. Kombinationen von kompakter Größe, hoher Auflösung, Genauigkeit, geringen Kosten, Robustheit gegen Kontamination, usw. Konfigurationen von Codierern, die verbesserte Kombinationen derartiger Merkmale bereitstellen, wären wünschenswert.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Diese Kurzdarstellung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Form einzuführen, die nachstehend in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Kurzdarstellung soll weder Schlüsselmerkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren noch als eine Hilfe beim Bestimmen des Umfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet werden.
  • Es wird ein elektronischer Positionscodierer bereitgestellt, der zum Messen einer relativen Position zwischen zwei Elementen entlang einer Messachsenrichtung verwendbar ist. In verschiedenen Implementierungen enthält der elektronische Positionscodierer eine Skala, einen Detektorabschnitt und eine Signalverarbeitungskonfiguration.
  • Die Skala erstreckt sich entlang der Messachsenrichtung und enthält ein periodisches Skalenmuster, das mindestens einen ersten Typ von Signalmodulationselementen umfasst. Das periodische Skalenmuster weist eine räumliche Wellenlänge W1 auf. Die Signalmodulationselemente vom ersten Typ umfassen ähnliche leitfähige Platten oder ähnliche leitfähige Schleifen, die sich entlang der Messachsenrichtung entsprechend der räumlichen Wellenlänge W1 befinden. Der Detektorabschnitt ist dazu konfiguriert, nahe dem periodischen Skalenmuster montiert zu werden und sich entlang der Messachsenrichtung relativ zu dem periodischen Skalenmuster zu bewegen. In verschiedenen Implementierungen schließt der Detektorabschnitt eine felderzeugende Spule und einen Satz von Sensorelementen ein. Die felderzeugende Spule ist auf einem Substrat befestigt und umgibt einen Innenraum, der während des Betriebs mit dem periodischen Skalenmuster der Signalmodulationselemente ausgerichtet ist. Wie hierin verwendet, kann der Begriff „umgibt“ in verschiedenen Implementierungen „umgibt vollständig“ oder „umgibt teilweise“ bedeuten. Die einzige Einschränkung besteht darin, dass die felderzeugende Spule dazu konfiguriert ist, als Reaktion auf ein Spulenansteuerungssignal einen sich ändernden Magnetfluss im Innenraum auf eine Weise zu erzeugen, die den Betrieb gemäß den hier offenbarten und beanspruchten Prinzipien unterstützt. Der Satz von Sensorelementen ist entlang der Messachsenrichtung angeordnet und auf dem Substrat befestigt. Die Elemente des Satzes von Sensorelementen umfassen leitfähige Schleifen oder leitfähige Schleifenabschnitte, die einen effektiven Raum EffASEN des Sensorelements definieren, entsprechend dem Abschnitt ihres Sensorelements, der mit dem von der felderzeugenden Spule umgebenen Innenraum ausgerichtet ist oder diesen überlappt. Der Satz von Sensorelementen ist dazu konfiguriert, Detektorsignale bereitzustellen, die auf einen lokalen Effekt auf den sich ändernden Magnetfluss reagieren, der von benachbarten Signalmodulationselementen des Skalenmusters bereitgestellt wird. Die Signalverarbeitungskonfiguration ist betriebsfähig mit dem Detektorabschnitt verbunden, um das Spulenansteuerungssignal bereitzustellen und die relative Position zwischen dem Detektorabschnitt und dem Skalenmuster basierend auf Detektorsignalen zu bestimmen, die von dem Detektorabschnitt eingegeben werden.
  • Die Signalmodulationselemente (SMEs) vom ersten Typ schließen eine effektive SME-Region EffRSME ein, die während des Betriebs mit dem Innenraum ausgerichtet ist oder diesen überlappt. In verschiedenen Implementierungen ist der elektronische Positionscodierer gemäß einer Kombination von Merkmalen konfiguriert, wobei: die effektive SME-Region EffRSME so konfiguriert ist, dass sie eine durchschnittliche Dimension DSME entlang der Messachsenrichtung aufweist, wobei DSME mindestens 0,55*W1 und höchstens 0,8*W1 beträgt; und der effektive Raum EffASEN des Sensorelements, der mit dem Innenraum ausgerichtet ist oder diesen überlappt, eine effektive y-Achsendimension EffYSEN entlang einer zur Messachsenrichtung senkrechte y-Achsenrichtung aufweist, und eine maximale Dimension DSENmax entlang der Messachsenrichtung, und dazu konfiguriert ist, eine durchschnittliche Dimension DSENavg=(EffASEN/EffYSEN) des Sensorelements entlang der Messachsenrichtung, die mindestens 0,285*W1 und höchstens 0,315*W1 beträgt, bereitzustellen. Eine derartige Konfiguration stellt gemäß hierin offenbarten Prinzipien vorteilhafte Detektorsignaleigenschaften bereit (z. B. durch Bereitstellen eines besseren Signal-Rausch-(S/N)-Verhältnisses und/oder reduzierter Fehlerkomponenten in den Detektorsignalen).
  • In einigen Implementierungen beträgt die durchschnittliche Dimension DSENavg des Sensorelements vorteilhafterweise mindestens 0,29*W1 und höchstens 0,31 *W1.
  • In einigen Implementierungen kann DSENmax mindestens 0,285*W1 und höchstens 0,5*W1 betragen. In einigen derartigen Implementierungen umfassen die leitfähigen Schleifen oder leitfähigen Schleifenabschnitte, die den effektiven Raum EffASEN definieren, y-Richtungssegmente, die sich in der maximalen Dimension DSENmax voneinander beabstandet befinden und die sich gerade entlang der y-Achsenrichtung erstrecken und eine y-Achsendimension YSEG, die mindestens 0,14*EffYSEN beträgt, aufweisen. In einigen derartigen Implementierungen beträgt DSENmax nominal 0,5*W1. In anderen derartigen Implementierungen überspannt die y-Richtungssegmentdimension YSEG den gesamten Innenraum entlang der -y-Achsenrichtung und die y-Richtungssegmente sind voneinander entlang der Messachsenrichtung mit der maximalen Dimension DSENmax beabstandet, wobei DSENavg=DSENmax, und DSENmax mindestens 0,285*W1 und höchstens 0,315*W1 beträgt.
  • In einigen Implementierungen beträgt die durchschnittliche Dimension DSME mindestens 0,6*W1 oder 0,66*W1 oder 0,7*W1 (z. B. kann die Verwendung größerer DSME-Werte vorteilhaft sein, wenn größere Betriebsspalte zwischen dem Detektor und der Skala verwendet werden, und/oder wenn die Signalmodulationselemente vom ersten Typ ähnliche leitfähige Platten umfassen.)
  • In verschiedenen Implementierungen können die Signalmodulationselemente vom ersten Typ ähnliche leitfähige Platten umfassen. In verschiedenen Implementierungen können die Signalmodulationselemente vom ersten Typ ähnliche leitfähige Schleifen umfassen.
  • In verschiedenen Implementierungen befinden sich Signalmodulationselemente eines zweiten Typs zwischen den Signalmodulationselementen vom ersten Typ entlang der Messachsenrichtung. Die Signalmodulationselemente eines zweiten Typs sind so konfiguriert, dass sie im Vergleich zu den Signalmodulationselementen vom ersten Typ einen relativ geringeren Effekt auf den sich ändernden Magnetfluss ausüben. In einigen Implementierungen umfassen die Signalmodulationselemente vom zweiten Typ Regionen von nichtleitfähigem Material. In einigen derartigen Implementierungen umfassen die Signalmodulationselemente vom zweiten Typ Regionen eines nichtleitfähigen Skalensubstrats, wobei Signalmodulationselemente vom ersten Typ auf dem nichtleitfähigen Skalensubstrat befestigt sind.
  • In verschiedenen Implementierungen können der Detektorabschnitt und die Skala ungefähr planare Substrate einschließen und der Detektorabschnitt kann dazu konfiguriert sein, ungefähr parallel zu dem periodischen Skalenmuster mit einem nominalen Betriebsspalt zwischen ihren jeweiligen Leitern, der mindestens 0,075*W1 beträgt, montiert zu werden. In einigen derartigen Implementierungen kann der nom inale Betriebsspalt mindestens 0,15*W1 betragen.
  • In einigen Implementierungen können die ähnlichen leitfähigen Platten oder ähnlichen leitfähigen Schleifen der Signalmodulationselemente vom ersten Typ ungefähr parallele Plattenkanten bzw. ungefähr parallele leitfähige Schleifensegmente umfassen, die senkrecht zur Achsenrichtung der Messachsenrichtung ausgerichtet sind. Diese parallelen Plattenkanten oder parallelen leitfähigen Schleifensegmente begrenzen die effektive Region ihres zugeordneten Signalmodulationselements. Bei derartigen Implementierungen sind diese parallelen Plattenkanten oder parallelen leitfähigen Schleifensegmente entlang der Messachsenrichtung mit der durchschnittlichen Dimension DSME beabstandet.
  • In einigen Implementierungen beträgt W1 höchstens 2 Millimeter. In einigen Implementierungen beträgt W1 höchstens 1,5 Millimeter.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein isometrisches Explosionsansichtsdiagramm eines Messschiebers vom Handwerkzeugtyp, der einen induktiven elektronischen Positionscodierer verwendet, der einen Detektorabschnitt und eine Skala enthält.
    • 2 ist ein Draufsichtdiagramm, das schematisch bestimmte Merkmale eines repräsentativen induktiven elektronischen Positionscodierers nach dem Stand der Technik veranschaulicht, dargestellt als Hintergrundinformationen, die für verschiedene hier offenbarte Prinzipien relevant sind.
    • 3 ist ein Draufsichtdiagramm einer Implementierung eines Detektorabschnitts und Skalenmusters, das in einem elektronischen Positionscodierer, wie er in 1 gezeigt ist, verwendbar ist, wobei Signalmodulationselemente gemäß hierin offenbarten Prinzipien in Kombination mit „weniger wünschenswerten“ zuvor bekannten Sensorelementen gezeigt werden, zusammen mit verschiedenen Dimensionen, die ihre Merkmale gemäß hierin offenbarten Prinzipien charakterisieren können.
    • 4 ist eine vergrößerte isometrische Ansicht eines Abschnitts des in 3 gezeigten Detektorabschnitts und Skalenmusters, einschließlich einer qualitativen Darstellung eines Magnetflusses und Flusskopplungseigenschaften, die dem Betrieb eines Signalmodulationselements in einem derartigen Positionscodierer zugeordnet sein können.
    • 5A und 5B sind Draufsichtdiagramme, die schematisch bestimmte Aspekte des jeweiligen Signalmodulationselements und Implementierungen des Sensorelements analog zu den in 3 gezeigten veranschaulichen, einschließlich zusätzlicher Beispiele bestimmter beispielhafter Dimensionen, die ihre Merkmale gemäß hierin offenbarten Prinzipien charakterisieren können.
    • 6 ist ein Draufsichtdiagramm zum Veranschaulichen bestimmter Aspekte einer ersten beispielhaften Implementierung von Sensorelementen und Signalmodulationselementen, die gemäß hierin offenbarten Prinzipien dazu konfiguriert und kombiniert sind, einen Detektorabschnitt und ein Skalenmuster in einem elektronischen Positionscodierer wie in 1 gezeigt, zu verwenden, zusammen mit zusätzlichen Beispielen für verschiedene Dimensionen, die ihre Merkmale gemäß hierin offenbarten Prinzipien charakterisieren können.
    • 7 ist ein Draufsichtdiagramm zum Veranschaulichen bestimmter Aspekte einer zweiten beispielhaften Implementierung von Sensorelementen und Signalmodulationselementen, die gemäß hierin offenbarten Prinzipien dazu konfiguriert und kombiniert sind, einen Detektorabschnitt und ein Skalenmuster in einem elektronischen Positionscodierer zu verwenden, zusammen mit zusätzlichen Beispielen für verschiedene Dimensionen, die ihre Merkmale gemäß hierin offenbarten Prinzipien charakterisieren können.
    • 8 ist ein Draufsichtdiagramm zum Veranschaulichen bestimmter Aspekte einer dritten beispielhaften Implementierung von Sensorelementen und Signalmodulationselementen, die gemäß hierin offenbarten Prinzipien dazu konfiguriert und kombiniert sind, einen Detektorabschnitt und ein Skalenmuster in einem elektronischen Positionscodierer zu verwenden, zusammen mit zusätzlichen Beispielen für verschiedene Dimensionen, die ihre Merkmale gemäß hierin offenbarten Prinzipien charakterisieren können.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • 1 ist eine isometrische Explosionsansicht eines Messschiebers 100 vom Handwerkzeugtyp mit einem Skalenelement 172 und einer Schieberanordnung 120. Das Skalenelement 172 kann einen Holm mit ungefähr rechteckigem Querschnitt umfassen, der eine in einer Nut darin positionierte Skala 170 einschließt. Die Schieberanordnung 120 kann eine Basis 140, eine elektronische Anordnung 160 und eine Abdeckung 150 einschließen, die nachstehend ausführlicher beschrieben werden. Die elektronische Anordnung 160 kann einen Detektorabschnitt 167 und eine Signalverarbeitungs-konfiguration 166 einschließen, die auf einem Substrat 162 angeordnet ist. Eine elastische Dichtung (nicht gezeigt) kann zwischen der Abdeckung 150 und dem Substrat 162 zusammengedrückt werden, um Verunreinigung von der Schaltung und den Verbindungen auszuschließen. Die Skala 170, der Detektorabschnitt 167 und die Signalverarbeitungs-konfiguration 166 arbeiten zusammen, um einen induktiven elektronischen Positionscodierer bereitzustellen, der verwendbar ist, um eine relative Position zwischen zwei Elementen (z. B. zwischen dem Skalenelement 172 und der Schieberanordnung 120) entlang einer Messachsenrichtung MA zu messen.
  • In verschiedenen Ausführungen erstreckt sich die Skala 170 entlang der Messachsenrichtung MA (z. B. entsprechend einer x-Achsenrichtung) und enthält ein Signalmodulationsskalenmuster 180, das Signalmodulationselemente SME umfasst, die auf einem Skalensubstrat (z. B. unter Verwendung bekannter Herstellungsverfahren für gedruckte Schaltungen) hergestellt sind. In verschiedenen hierin veranschaulichten Implementierungen kann das Signalmodulationsskalenmuster 180 alternativ als ein periodisches Skalenmuster 180 bezeichnet werden, das in 1 mit einer räumlichen Wellenlänge W1 gezeigt ist. In der dargestellten Implementierung bedeckt eine Deckschicht 174 (z. B. 100 µm dick) eines bekannten Typs die Skala 170 (wie durch einen weggeschnittenen Abschnitt in 1 gezeigt).
  • In verschiedenen Implementierungen können der mechanische Aufbau und der Betrieb des Messschiebers 100 ähnlich denen bestimmter früherer elektronischer Messschieber sein, wie beispielsweise dem der gemeinsam erteilten US-Patente Nr. 5,901,458 ; und/oder 6,400,138 und/oder RE37490, von denen jedes hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Die Backen 176 und 178 in der Nähe eines ersten Endes des Skalenelements 172 und die beweglichen Backen 146 und 148 an der Schieberanordnung 120 werden verwendet, um Dimensionen von Objekten in bekannter Weise zu messen. Die gemessene Dimension kann auf einer digitalen Anzeige 158 angezeigt werden, die innerhalb der Abdeckung 150 der elektronischen Anordnung 160 montiert ist. Die Abdeckung 150 kann auch einen Ein-/Aus-Schalter 154 und andere optionale Steuerschaltflächen enthalten, falls gewünscht, die Schaltkreise oder Elemente betätigen, die in der elektronischen Anordnung 160 enthalten sind. Die Basis 140 der Schieberanordnung 120 kann verschiedene bekannte Elemente enthalten, die dazu konfiguriert sind, sie entlang einer Gegenkante des Skalenelements 172 zu führen, um eine einwandfreie Ausrichtung zum Messen sicherzustellen, während sie die Schieberanordnung 120 relativ zur Skala 170 bewegt.
  • Wie in 1 gezeigt, kann der Detektorabschnitt 167 eine felderzeugende Spule (Field Generating Coil, FGC) und einen Satz von Sensorelementen SETSEN einschließen, die entlang der Messachsenrichtung MA angeordnet sind. In einem spezifischen veranschaulichenden Beispiel kann der Detektorabschnitt 167 parallel zur Skala 170 und dieser zugewandt angeordnet sein, und eine der Skala 170 zugewandte Vorderseite des Detektorabschnitts 167 kann von der Skala 170 (und/oder dem Skalenmuster 180) um einen Spalt in der Größenordnung von 0,5 mm entlang der Z-Achsenrichtung getrennt sein. Die Vorderseite des Detektors 167 (z. B. die Leiter, aus denen er besteht) kann mit einer isolierenden Beschichtung bedeckt sein. Der Aufbau und der Betrieb der felderzeugenden Spule FGC und des Satzes von Sensorelementen SETSEN werden nachstehend ausführlicher beschrieben.
  • Es versteht sich, dass der in 1 gezeigte Messschieber 100 eine von verschiedenen Anwendungen ist, die typischerweise einen elektronischen Positionscodierer implementieren, der sich über eine Anzahl von Jahren entwickelt hat, um eine relativ optimierte Kombination von kompakter Größe, Betrieb bei geringem Stromverbrauch (z. B. für lange Batterielebensdauer), hoher Auflösung und hoher Messgenauigkeit, geringen Kosten, Robustheit gegen Kontamination, usw., bereitzustellen. Zum Beispiel schließen andere Anwendungen, die im Hinblick auf die Verbesserung der weiterentwickelten Genauigkeit, das wirtschaftliche Design und die wirtschaftliche Herstellung möglicherweise noch anspruchsvoller sind, digitale „Ziffernblatt“-Anzeigen mit mittlerer und hoher Genauigkeit (z. B. einer Genauigkeit in der Größenordnung von 10 Mikrometer bzw. 1 Mikrometer) ein. Selbst kleine Verbesserungen bei einem dieser Faktoren bei einer dieser Anwendungen sind sehr wünschenswert, aber schwierig zu erreichen, insbesondere angesichts der Designbeschränkungen, die auferlegt sind, um bei den verschiedenen Anwendungen kommerziellen Erfolg zu erzielen. Die hierin offenbarten und beanspruchten Prinzipien stellen Verbesserungen bei einer Anzahl dieser Faktoren für verschiedene Anwendungen bereit.
  • 2 ist ein Draufsichtdiagramm, das schematisch bestimmte Merkmale eines repräsentativen induktiven elektronischen Positionscodierers, der in dem zuvor aufgenommenen '389-Patent gezeigt ist, nach dem Stand der Technik veranschaulicht, dargestellt als Hintergrundinformationen, die für verschiedene an anderer Stelle hier offenbarte Prinzipien relevant sind. 2 enthält ferner Anmerkungen zu Bezugszeichen, um die vergleichbaren Bezugszeichen oder Symbole zu zeigen, die verwendet werden, um vergleichbare Elemente in anderen hier enthaltenen Figuren zu bezeichnen. In der folgenden Kurzbeschreibung, die auf der Offenbarung des '389-Patents basiert, sind die vergleichbaren Bezugszeichen in anderen Figuren der vorliegenden Offenbarung nach den ursprünglichen Bezugszeichen aus dem '389-Patent in Klammern gezeigt. Eine vollständige Beschreibung, die sich auf 2 des Standes der Technik bezieht, befindet sich in dem '382-Patent. Daher ist hier nur eine Kurzbeschreibung enthalten, die Lehren aus dem '382-Patent enthält, die für die vorliegende Offenbarung relevant sind. Soweit der Erfinder feststellen konnte, repräsentieren die nachstehend unter Bezugnahme auf 2 aufgezeigten Lehren die herkömmliche Argumentation und die herkömmliche Designpraxis, die im Stand der Technik bekannt ist und/oder in kommerziellen induktiven elektronischen Positionscodierern verwendet wird.
  • Wie in dem '389-Patent offenbart, enthält ein Wandler, wie der in 2 gezeigte, mindestens zwei im Wesentlichen koplanare Draht- oder Wicklungspfade. Eine Senderwicklung 102 (FGC) bildet eine große planare Schleife. Eine Empfängerwicklung 104 (SETSEN) in im Wesentlichen derselben Ebene wie die Senderwicklung 102 ist in einer Richtung, wie durch die Pfeile in einem Zick-Zack- oder Sinusmuster angegeben, und dann in einer umgekehrten Richtung, wie durch die Pfeile angegeben, ausgelegt, so dass die Wicklung sich selbst kreuzt, um alternierende Schleifen 106 (SEN+) und 108 (SEN-) zu bilden, die, wie gezeigt, zwischen einander eingefügt sind. Als Ergebnis weist jede der alternierenden Schleifen 106 (SEN+) und 108 (SEN-) der Empfängerwicklung 104 (SETSEN) im Vergleich zu benachbarten Schleifen eine andere Wicklungsrichtung auf. Durch Anlegen eines (sich ändernden) Wechselstroms an die Senderwicklung 102 (FGC) erstellt die Senderwicklung ein zeitlich variierendes Magnetfeld, das sich durch die Schleifen 106 (SEN+) und 108 (SEN-) der Empfängerwicklung 104 (SETSEN) erstreckt.
  • Wenn eine Skala oder ein Skalenmuster 112 (180) (wovon ein Segment durch Kanten konturiert ist, die in 2 abwechselnde langgestrichelte Linien und kurzgestrichelte Linien angeben), einschließlich eines leitfähigen Objekts (z. B. einer leitfähigen Platte 114 (SME), von der mehrere auf dem Skalenmuster 112 in 2 mit kurzgestrichelten Linien konturiert sind), nahe an dem Wandler bewegt wird, induziert das variierende Magnetfeld, das von der Senderwicklung 102 (FGC) erzeugt wird, Wirbelströme im leitfähigen Objekt, wodurch wiederum ein Magnetfeld von dem Objekt aufgebaut wird, das dem variierenden Magnetfeld des Senders entgegenwirkt. Als Ergebnis wird der Magnetfluss, den die Empfängerwicklung 104 (SETSEN) empfängt, verändert oder gestört, wodurch bewirkt wird, dass die Empfängerwicklung ein von Null verschiedenes EMF-Signal (eine Spannung) an den Ausgangsanschlüssen V+ und V-der Empfängerwicklung 104 ausgibt, das die Polarität ändert, wenn sich das leitfähige Objekt zwischen den „+“- und „-“-Schleifen 106 (SEN+) und 108 (SEN-) bewegt.
  • Die Entfernung zwischen dem Ort zweier Schleifen derselben Polarität (z. B. zwischen dem Ort einer Schleife 106 (SEN+) und dem Ort der nächsten Schleife 106 (SEN+)) ist definiert als eine Teilung oder Wellenlänge 110 (W1) des Wandlers. Es ist zu erkennen, dass jede Schleife 106 (SEN+) und/oder 108 (SEN-) daher eine Länge oder maximale Dimension von 0,5*W1 entlang der Messachsenrichtung 300 aufweist. Wenn sich das vorstehend beschriebene leitfähige Objekt (z. B. eine leitfähige Platte 114 (SME)) in der Nähe der Empfängerwicklung 104 (SETSEN) befindet und seine Position entlang einer Messachse 300 (MA) kontinuierlich variiert wird, variiert die Wechselstromamplitude des Signalausgangs von der Empfängerwicklung (SETSEN) kontinuierlich und periodisch mit der Wellenlänge 110 (W1) aufgrund der periodischen Änderung der Schleifen 106 (SEN) und 108 (SEN) und der durch das leitfähige Objekt verursachten lokalen Störung des übertragenen Magnetfelds (z. B. eine leitfähige Platte 114 (SME)).
  • Das '389-Patent betont, dass, wenn das leitfähige Objekt (z. B. eine leitfähige Platte 114 (SME)) viel kleiner oder größer als die Schleifen 106 und/oder 108 (SEN+, SEN-) ist, die Amplitude des Signalausgangs schwach wird und eine hohe Genauigkeit schwierig zu erreichen sein wird. Der Signalausgang wird eine große Amplitude aufweisen und daher am empfindlichsten gegenüber der Position des leitfähigen Objekts (z. B. einer leitfähigen Platte 114 (SME)) sein, wenn seine Länge ungefähr gleich der halben Wellenlänge 110 (W1) ist (d. h. wenn es möglich ist, das Objekt genau deckungsgleich mit den Schleifen 106 oder 108 (SEN+ oder SEN-) zu positionieren). Folglich verwendet die vorliegende Erfindung (des '389-Patents) vorzugsweise leitfähige Gegenstände (z. B. leitfähige Platten 114 (SME)), die eine Länge (entlang der x-Achsenrichtung) gleich einer halben Wellenlänge 110 (W1) aufweisen.
  • Es versteht sich, dass die in 2 gezeigte und vorstehend beschriebene Senderwicklung 102 (FGC) und die Empfängerwicklung 104 (SETSEN) ein Beispiel für eine Implementierung von Elementen nach dem Stand der Technik sind, die hier als Detektorabschnitt bezeichnet werden (z. B. der in 1 gezeigte Detektorabschnitt 167). Die Skala oder das Skalenmuster 112 (180) ist ein Beispiel einer Implementierung des Standes der Technik, die hier als Skalenmuster bezeichnet wird (z. B. das in 1 gezeigte Skalenmuster 180).
  • 3 ist ein Draufsichtdiagramm einer Implementierung eines Detektorabschnitts 367 und eines Skalenmusters 380, die in einem elektronischen Positionscodierer verwendet werden können, wie er in 1 gezeigt ist, wobei Signalmodulationselemente SME gemäß hierin offenbarten Prinzipien der Klarheit der Beschreibung halber in Kombination mit zuvor bekannten „weniger wünschenswerten“ Sensorelementen SEN gezeigt sind. 3 führt auch verschiedene Dimensionen ein, die Merkmale der Signalmodulationselemente SME und der Sensorelemente SEN gemäß hierin offenbarten Prinzipien charakterisieren können. Wünschenswertere Sensorelemente SEN gemäß hierin offenbarten Prinzipien werden weiter unten unter Bezugnahme auf 6, 7 und 8 beschrieben.
  • Verschiedene Merkmale des Detektorabschnitts 367 und des Skalenmusters 380 sind dazu konfiguriert, verschiedene hierin offenbarte und beanspruchte Designprinzipien zu erfüllen, insbesondere in Bezug auf die Signalmodulationselemente SME. Es versteht sich, dass bestimmte nummerierte Komponenten 3XX von 3 den ähnlich nummerierten Komponenten 1XX von 1 und/oder 2 entsprechen und/oder ähnliche Operationen oder Funktionen bereitstellen können (z. B. stellt der Detektorabschnitt 367 ähnliche Operationen oder Funktionen für den Detektorabschnitt 167 bereit) und ähnlich verstanden werden können, sofern nicht anders angegeben.
  • 3 kann als teilweise gegenständlich, teilweise schematisch angesehen werden. Ein vergrößerter Teilabschnitt des Detektorabschnitts 367 und des Skalenmusters 380 ist im unteren Abschnitt von 3 dargestellt. In 3 werden die verschiedenen nachstehend beschriebenen Elemente durch ihre Form oder ihren Umriss dargestellt und sind übereinandergelegt dargestellt, um bestimmte geometrische Beziehungen hervorzuheben. Es versteht sich, dass sich verschiedene Elemente auf verschiedenen Fertigungsschichten befinden können, die auf verschiedenen Ebenen entlang der z-Achsenrichtung angeordnet sind, je nachdem, was erforderlich ist, um verschiedene Betriebsspalte und/oder Isolierschichten bereitzustellen, wie es für den Durchschnitts-fachmann auf dem Gebiet basierend auf der folgenden Beschreibung und den aufgenommenen Referenzen ersichtlich ist. In den Figuren dieser Offenbarung ist zu beachten, dass die dargestellten x-Achsen-, y-Achsen- und/oder z-Achsen-Dimensionen eines oder mehrerer Elemente der Klarheit halber übertrieben dargestellt sein können, aber es versteht sich, dass sie nicht den verschiedenen hierin offenbarten und beanspruchten dimensionalen Designprinzipien und -beziehungen widersprechen sollen.
  • Der dargestellte Abschnitt des Skalenmusters 380 enthält einen ersten Typ von Signalmodulationselementen SME, die in gestrichelten Konturen mit einer punktierten Füllung gezeigt sind. Das periodische Skalenmuster 380 weist eine räumliche Wellenlänge W1 auf. Bei dieser Implementierung umfassen die Signalmodulationselemente SME vom ersten Typ ähnliche leitfähige Platten (wie sie z. B. durch Regionen gebildet werden, die auf einer gedruckten Leiterplatte hergestellt sind, oder wie sie durch erhabene Regionen gebildet werden, die von einem leitfähigen Substrat ausgehen). In anderen Implementierungen können sie jedoch ähnliche leitfähige Schleifen umfassen (wie sie z. B. durch Leiterbahnen auf einer Leiterplatte gebildet werden), wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. In jedem Fall befinden sie sich entlang der Messachsenrichtung MA entsprechend der räumlichen Wellenlänge W1. Das Skalenmuster 380 wird im Allgemeinen auf einer Skala implementiert (z. B. der in 1 gezeigten Skala 170). Die Extremwerte der meisten Signalmodulationselemente SME in y-Richtung sind unter den ersten und zweiten länglichen Abschnitten EP1 und EP2 der felderzeugenden Spule FGC in der in 3 veranschaulichten Implementierung verborgen (z. B. wie in den '335-, '943- und '199-Patenten beschrieben). Es versteht sich, dass sich das Skalenmuster 380 während des Betriebs relativ zum Detektorabschnitt 367 bewegt, wie in 1 zu sehen ist.
  • In dem Beispiel von 3 weist das Skalenmuster 380 eine nominale Skalenmusterbreitendimension NSPWD entlang der y-Achsenrichtung auf und umfasst im Allgemeinen rechteckige Signalmodulationselemente SME, die periodisch entlang der Messachsenrichtung MA (z. B. entsprechend der x-Achsenrichtung) angeordnet sind. Allgemeiner kann das Skalenmuster 380 jedoch verschiedene alternative räumlich modulierte Muster umfassen, einschließlich alternativer Signalmodulationselementkonfigurationen, vorausgesetzt, dass das Muster eine räumliche Charakteristik aufweist, die sich in Abhängigkeit von der Position entlang der x-Achsenrichtung ändert, um positionsabhängige Detektorsignale (in einigen Implementierungen auch als Detektorsignalkomponenten bezeichnet) bereitzustellen, die in den Sensorelementen SEN (z. B. SEN14) des Satzes von Sensorelementen SETSEN in dem Detektorabschnitt 367 entstehen.
  • In verschiedenen Implementierungen ist der Detektorabschnitt 367 dazu konfiguriert, in der Nähe des Skalenmusters 380 montiert zu werden und sich entlang der Messachsenrichtung MA relativ zum Skalenmuster 380 zu bewegen. Der Detektorabschnitt enthält eine felderzeugende Spule FGC und einen Satz von Sensorelementen SETSEN, die eine Vielzahl alternativer Konfigurationen annehmen können, die in Kombination mit einer Vielzahl entsprechender Signalverarbeitungsschemata in verschiedenen Implementierungen verwendet werden können, wie für den Fachmann auf dem Gebiet verständlich ist. 3 zeigt einen einzelnen repräsentativen Satz von Sensorelementen SEN1-SEN24, die in dieser Implementierung Sensorschleifenelemente (alternativ als Sensorspulenelemente oder Sensorwicklungselemente bezeichnet) umfassen, die in Reihe geschaltet sind. Bei dieser Implementierung sind benachbarte Schleifenelemente durch eine Konfiguration von Leitern auf verschiedenen Schichten von PCBs (Printed Circuit Boards, Leiterplatten) (z. B. durch Durchführungen verbunden) gemäß bekannter Verfahren (wie z. B. in 4 veranschaulicht) verbunden, derart, dass sie entgegengesetzte Wicklungspolaritäten aufweisen. Das heißt, wenn eine erste Schleife auf ein sich änderndes Magnetfeld mit einem Detektorsignalbeitrag mit positiver Polarität reagiert, dann reagieren die benachbarten Schleifen mit einem Detektorsignalbeitrag mit negativer Polarität. Schleifen mit einem Detektorsignalbeitrag mit positiver Polarität können hierin als „SEN+“-Sensorelemente bezeichnet werden, und Schleifen mit einem Detektorsignalbeitrag mit negativer Polarität können hierin in verschiedenen Zusammenhängen als „SEN-“-Sensorelemente bezeichnet werden. Bei dieser Implementierung sind die Sensorelemente in Reihe geschaltet, so dass ihre Detektorsignale oder Signalbeiträge summiert werden, und ein „summiertes“ Detektorsignal wird an den Detektorsignalausgangsanschlüssen SDS1 und SDS2 an eine Signalverarbeitungskonfiguration (nicht gezeigt) ausgegeben.
  • Obwohl 3 einen einzelnen Satz von Sensorelementen zeigt, um optische Verwirrung zu vermeiden, versteht sich, dass es in verschiedenen Implementierungen vorteilhaft ist, den Detektor so zu konfigurieren, dass er einen oder mehrere zusätzliche Sätze von Sensorelementen (z. B. ähnlich SETSEN) in einer unterschiedlichen räumlichen Phasenposition bereitstellt (z. B. um Quadratursignale bereitzustellen), wie für den Durchschnittsfachmann verständlich ist. Es versteht sich jedoch, dass die hierin beschriebenen Konfigurationen von Sensorelementen nur beispielhaft und nicht einschränkend sind. Als ein Beispiel können einzelne Sensorelementschleifen in einigen Implementierungen individuelle Signale an eine entsprechende Signalverarbeitungskonfiguration ausgeben, wie zum Beispiel im US-Patent Nr. 9,958,294 offenbart, das hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Allgemeiner können verschiedene bekannte Sensorelementkonfigurationen in Kombination mit den hier offenbarten und beanspruchten Prinzipien zur Verwendung in Kombination mit verschiedenen bekannten Skalenmuster- und Signalverarbeitungsschemata in verschiedenen Implementierungen verwendet werden.
  • Die verschiedenen Elemente des Satzes von Sensorelementen SETSEN und der felderzeugenden Spule FGC können auf einem Substrat (z. B. Substrat 162 von 1) befestigt sein. Die felderzeugende Spule FGC kann als einen Innenraum INTA umgebend, der eine nominale Spulenraumlängendimension NCALD entlang der x-Achsenrichtung und eine nominale Spulenraumbreitendimension von ungefähr YSEP entlang der y-Achsenrichtung aufweist, beschrieben werden. Der Innenraum INTA ist während des Betriebs auf das periodische Skalenmuster 380 der Signalmodulationselemente SME ausgerichtet, ungefähr wie veranschaulicht. In der dargestellten Implementierung umfasst die felderzeugende Spule FGC eine einzelne Windung, die den Innenraum INTA umgibt. Es versteht sich jedoch, dass in verschiedenen anderen Implementierungen die felderzeugende Spule FGC mehrere Windungen umfassen kann und/oder mäanderförmig verlaufen kann, um den Innenraum INTA, der mit dem Skalenmuster 380 ausgerichtet ist, betriebsmäßig zu umgeben (z. B. betriebsmäßig teilweise zu umgeben), sowie um andere Innenräume, die mit Skalierungsspuren ausgerichtet sind, die andere Skalenmuster enthalten, betriebsmäßig zu umgeben (z. B. betriebsmäßig teilweise zu umgeben), wie in den eingeschlossenen Referenzen offenbart. In jedem Fall erzeugt die felderzeugende Spule FGC im Betrieb einen sich ändernden Magnetfluss im Innenraum INTA als Reaktion auf ein Spulenansteuerungssignal. In der veranschaulichten Implementierung können der erste und der zweite Verbindungsabschnitt CP1 und CP2 verwendet werden, um ein Spulenansteuerungssignal von einer Signalverarbeitungskonfiguration (z. B. der Signalverarbeitungskonfiguration 166 von 1) mit der felderzeugenden Spule FGC zu verbinden.
  • Der Satz von Sensorelementen SETSEN (z. B. die Sensorelemente SEN1-SEN24) ist entlang der x-Achsenrichtung (z. B. entsprechend der Messachsenrichtung MA) angeordnet und auf dem Substrat (z. B. dem Substrat 162 von 1) befestigt. Wie in 3 gezeigt, umfassen die Elemente des Satzes von Sensorelementen leitfähige Schleifen oder leitfähige Schleifenabschnitte (z. B. SEN1-SEN24), die einen effektiven Raum EffASEN des Sensorelements definieren, entsprechend dem Abschnitt ihres Sensorelements, der mit dem von der felderzeugenden Spule FGC umgebenen Innenraum INTA (d. h. dem Abschnitt des Sensorelements, der mit der Dimension YSEP von INTA ausgerichtet ist oder diese überlappt) ausgerichtet ist oder diesen überlappt. In verschiedenen Implementierungen kann der effektive Raum EffASEN des Sensorelements, der mit dem Innenraum INTA ausgerichtet ist oder diesen überlappt, als eine effektive y-Achsendimension EffYSEN entlang einer y-Achsenrichtung, die senkrecht zur Messachsenrichtung ist, und eine maximale Dimension DSENmax entlang der Messachsenrichtung (der x-Achsenrichtung) aufweisend beschrieben werden. In der in 3 gezeigten speziellen Implementierung ist die effektive y-Achsendimension EffYSEN gleich YSEP, weil jedes der Sensorelemente SEN eine maximale Sensorelementdimension YSENMAX entlang der y-Achsenrichtung aufweist, die YSEP überschreitet und sein effektiver Raum EffASEN sich daher über die gesamte Dimension YSEP erstreckt. Die maximale Dimension DSENmax in Messachsenrichtung beträgt nominal 0,5*W1. Diese Eigenschaften sind jedoch für diese Implementierung spezifisch und nicht einschränkend und können in verschiedenen Implementierungen optional (oder unerwünscht) sein, wie nachstehend unter Bezugnahme auf 5B, 6, 7 und 8 ausführlicher beschrieben wird.
  • Es ist sinnvoll, den effektiven Raum des Sensorelements EffASEN ferner durch seine durchschnittliche Dimension DSENavg=(EffASEN/EffYSEN) des Sensorelements entlang der Messachsenrichtung zu charakterisieren. Für die in 3 gezeigte spezielle Implementierung ist DSENavg gleich DSENmax, da der effektive Raum des Elements EffASEN parallele Seiten aufweist, die senkrecht zur x-Achsenrichtung sind. Dies muss jedoch nicht bei allen Implementierungen der Fall sein, wie nachstehend mit Bezug auf 5B, 6, 7 und 8 ausführlicher beschrieben wird.
  • Die Elemente des Satzes von Sensorelementen SETSEN sind dazu konfiguriert, Detektorsignale bereitzustellen, die auf einen lokalen Effekt auf den sich ändernden Magnetfluss reagieren, der durch ein benachbartes Signalmodulationselement SME des Skalenmusters 380 (z. B. ein oder mehrere Signalmodulationselemente SME) bereitgestellt wird. Eine Signalverarbeitungskonfiguration (z. B. die Signalverarbeitungs-konfiguration 166 von 1 usw.) kann dazu konfiguriert sein, eine Position des Satzes von Sensorelementen SETSEN relativ zu dem Skalenmuster 380 basierend auf den Detektorsignalen zu bestimmen, die von dem Detektorabschnitt 367 eingegeben werden. Im Allgemeinen können die felderzeugende Spule FGC und der Satz von Sensorelementen SETSEN oder dergleichen nach bekannten Prinzipien (z. B. für induktive Codierer) arbeiten, wie beispielsweise denjenigen, die in den aufgenommenen Referenzen beschrieben sind.
  • In verschiedenen Implementierungen sind die felderzeugende Spule FGC und die Sensorelemente SEN voneinander isoliert (befinden sich z. B. in unterschiedlichen Schichten einer gedruckten Leiterplatte usw.). In einer derartigen Implementierung ist die maximale Sensorelement-y-Achsendimension YSENmax der Sensorelemente SEN vorteilhafterweise größer als die nominale SpulenraumbreitenDimension YSEP und erstreckt sich über die Innenkanten der länglichen Abschnitte EP1 oder EP2 hinaus um einen Betrag, der als Überlappungsdimension definiert ist. Außerdem kann die felderzeugende Spule FGC vorteilhafterweise derart konfiguriert sein, dass die Leiterbahnbreite der länglichen Abschnitte EP1 und EP2 entlang der y-Achsenrichtung größer als die entsprechende Überlappungsdimension ist. In verschiedenen Implementierungen können die länglichen Abschnitte EP1 und EP2 auf einer ersten Schicht einer Leiterplatte hergestellt sein, und die Sensorelemente SEN können leitfähige Schleifen umfassen, die in einer oder mehreren Schichten der Leiterplatte hergestellt sind, die eine Schicht enthalten, die sich von der ersten Schicht unterscheidet, zumindest in der Nähe der Überlappungsdimension. Derartige Implementierungen sind jedoch nur beispielhaft und nicht einschränkend, wie weiter unten beschrieben.
  • Wie zuvor angegeben, kann die felderzeugende Spule FGC in einigen Implementierungen eine oder mehrere Leiterbahnen umfassen, die auf der Leiterplatte hergestellt sind, und die SEN-Elemente des Satzes von SETSEN-Sensorelementen können Magnetfluss-Sensorschleifen oder Schleifenabschnitte umfassen, die durch auf der Leiterplatte hergestellte Leiterbahnen gebildet werden. Wie vorstehend in Bezug auf 1 beschrieben, kann der Detektorabschnitt 367 in verschiedenen Implementierungen in verschiedenen Typen von Messinstrumenten (z. B. Messschiebern, Mikrometern, Messgeräten, linearen Skalen usw.) enthalten sein. Zum Beispiel kann der Detektorabschnitt 367 an einem Schiebeelement befestigt sein, und das Skalenmuster 380 kann an einem Balken- oder Holmelement mit einer Messachse befestigt sein, die mit einer x-Achsenrichtung zusammenfällt. In einer derartigen Konfiguration kann das Schiebeelement beweglich an dem Balken- oder Holmelement montiert und entlang der Messachsenrichtung MA in einer Ebene beweglich sein, die sich entlang der x-Achsenrichtung und der y-Achsenrichtung erstreckt, wobei die z-Achsenrichtung zur Ebene orthogonal ist.
  • Bezüglich des vergrößerten Teilabschnitts des Detektorabschnitts 367 und des Skalenmusters 380, der im unteren Abschnitt von 3 veranschaulicht ist, zeigt dieser drei beispielhafte Elemente SEN14, SEN15 und SEN16 des Satzes von Sensorelementen SETSEN und zwei beispielhafte Signalmodulationselemente SME, die von Abschnitten der felderzeugenden Spule FGC begrenzt werden. Bei dieser Implementierung können die Sensorelemente durch Leiterbahnen gebildet werden, die auf einer ersten und einer zweiten Schicht einer Leiterplatte mit einer Isolatorschicht dazwischen hergestellt sind. Die Leiterbahnen der „ersten Schicht“ sind als durchgezogene Linien und die Leiterbahnen der „zweiten Schicht“ als gestrichelte Linien gezeigt. Kleine Pfeile zeigen eine Richtung des Stromflusses, der in den Leiterbahnen durch ein sich änderndes Magnetfeld induziert wird, das von der felderzeugenden Spule FGC herrührt. Es kann sich erweisen, dass das Sensorelement SEN14 aufgrund seiner zugeordneten Stromrichtung als „SEN+“-Polaritätsschleife charakterisiert werden kann, und das benachbarte Sensorelement SEN15 aufgrund seiner zugeordneten Stromrichtung „entgegengesetzter Polarität“ als „SEN-“-Polaritätsschleife charakterisiert werden kann. Das nächste benachbarte Sensorelement SEN16 kann wiederum als „SEN+“-Polaritätsschleife charakterisiert werden, usw.
  • DSME ist die durchschnittliche Dimension entlang der Messachsenrichtung MA der „effektiven Region“ EffRSME eines signalmodulierenden Elements SME (vom ersten Typ). Die effektive Region EffRSME eines Signalmodulationselements SME ist hier als der Abschnitt definiert, der mit der y-Achsendimension des Innenraums INTA ausgerichtet ist oder diese überlappt. Die effektive Region EffRSME erstellt den primären Signalmodulationseffekt in den Sensorelementen SEN. Für das in 3 gezeigte Beispiel ist ersichtlich, dass dies der Abschnitt des Signalmodulationselements SME ist, der mit der Spanne der Dimension YSEP entlang der y-Achsenrichtung für die in 3 gezeigte Implementierung zusammenfällt. In verschiedenen Ausführungen kann die durchschnittliche Dimension DSME eines signalmodulierenden Elements SME als der Raum der effektiven Region EffRSME eines Signalmodulationselements SME, dividiert durch die y-Achsenrichtungsdimension der effektiven Region EffRSME, genommen werden.
  • Weitere Beispiele der Dimension DSME für andere Konfigurationen von Signalmodulationselementen SME sind in den 5A, 5B, 6, 7 und 8 gezeigt.
  • Wie zuvor unter Bezugnahme auf 2 aufgezeigt, weisen Sensorelemente, z. B. die Sensorelemente SEN, herkömmlicherweise eine maximale Dimension DSENmax entlang der Messachsenrichtung auf, die 0,5*W1 beträgt. Eine derartige Dimension kann in verschiedenen Implementierungen vorteilhaft sein. Darüber hinaus weisen, wie zuvor unter Bezugnahme auf 2 dargelegt, auch Signalmodulationselemente wie die Signalmodulationselemente SME herkömmlicherweise eine durchschnittliche Breitendimension DSME von 0,5*W1 auf. Im Gegensatz zu der unmittelbar vorstehend aufgezeigten herkömmlichen Designpraxis des Standes der Technik hat der Erfinder entdeckt, dass bestimmte Leistungseigenschaften verbessert werden können, wenn die Signalmodulationselemente SME so konfiguriert sind, dass sie eine durchschnittliche Breitendimension DSME aufweisen, die signifikant größer als 0,5*W1 ist, wie in 3 veranschaulicht. Beispielsweise kann es in verschiedenen Implementierungen von Vorteil sein, wenn DSME mindestens 0,55*W1 und höchstens 0,8*W1 beträgt. In einigen dieser Implementierungen kann es am vorteilhaftesten sein, wenn DMSE mindestens 0,66*W1, oder 0,7*W1, oder mehr beträgt. Einige Gründe dafür werden im Folgenden unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
  • Darüber hinaus hat der Erfinder außerdem festgestellt, dass es zur Abschwächung bestimmter Fehler, die andernfalls auftreten würden, zum Erreichen der besten Genauigkeit in verschiedenen Anwendungen am wünschenswertesten ist, sie in Kombination mit unkonventionellen Sensorelementen SEN zu verwenden, die derart konfiguriert sind, dass ihre durchschnittliche Dimensionen DSENavg des Sensorelements in einen Bereich fällt, der deutlich unter 0,5*W1 liegt. Beispielsweise kann es in verschiedenen Implementierungen wünschenswert sein, wenn die durchschnittliche Dimension des Sensorelements DSENavg mindestens 0,285*W1 und höchstens 0,315*W1 beträgt. Dieser Aspekt der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 6, 7 und 8 ausführlicher beschrieben. Die vorstehend aufgezeigte unkonventionelle Kombination von Eigenschaften stellt vorteilhafte Detektorsignaleigenschaften (z. B. Bereitstellen eines besseren Signal-Rausch-(S/N)-Verhältnisses und/oder reduzierter Fehlerkomponenten in den Detektorsignalen) im Vergleich zu Konfigurationen gemäß den Designprinzipien des Standes der Technik bereit.
  • 4 ist eine vergrößerte isometrische Ansicht eines Abschnitts des Detektorabschnitts 367 und Skalenmusters 380, die in 3 gezeigt sind, einschließlich einer qualitativen Darstellung eines Magnetflusses und von Flusskopplungseigenschaften, die dem Betrieb eines Signalmodulationselements SME in einem derartigen Positionscodierer zugeordnet sein können. 4 zeigt verschiedene Überlegungen, die sich darauf beziehen, warum Signalmodulationselemente SME vorteilhafterweise so konfiguriert werden können, dass sie eine durchschnittliche Breitendimension DSME aufweisen, die in verschiedenen Implementierungen mindestens 0,55*W1 und höchstens 0,8*W1 beträgt.
  • 4 zeigt die Reaktion eines Signalmodulationselements SME auf ein erzeugtes sich änderndes Magnetfeld (Generated Changing Magnetic Field - GCMF), das von der felderzeugenden Spule FGC bereitgestellt wird, wie zuvor aufgezeigt. Wie in 4 gezeigt, erzeugt ein angelegter Spulenansteuerungssignalstrom Igen in der felderzeugenden Spule FGC das sich ändernde Magnetfeld GCMF, das induktiv mit dem Signalmodulationselement SME gekoppelt ist. Das Signalmodulationselement SME ist in 4 schematisch als leitfähige Schleife veranschaulicht. Als Reaktion auf das gekoppelte sich ändernde Magnetfeld GCMF wird im Signalmodulationselement SME ein induzierter Strom Iind erstellt, der ein induziertes Magnetfeld erstellt, das durch Flusslinien (den Flusslinien einschließlich Pfeilspitzen in 4) dargestellt wird. Die dargestellten Flusslinien stellen einen zentralen Magnetfluss CF dar, dargestellt durch die zentralen Magnetflusslinien CFL, und einen magnetischen Randfluss MF, der durch die geschlossenen magnetischen Randflusslinien MFL1-MFL3 dargestellt wird, die die leitfähige Schleife des Signalmodulationselements SME umgebend gezeigt sind.
  • Im Allgemeinen versteht sich, dass die Elemente des Satzes von Sensorelementen SETSEN Signale (oder Signalbeiträge) erstellen, die auf den induzierten sich ändernden Magnetfluss reagieren, der wie vorstehend aufgezeigt dargestellt ist. Insbesondere reagieren die erstellten Signale auf den Betrag des Magnetflusses, der effektiv durch ihren inneren Schleifenraum gekoppelt wird, um einen Signalbeitrag oder eine Signalkomponente zu erstellen, die als Strom Isense in dem Sensorelement SEN14 in 4 dargestellt ist. Wie in 4 gezeigt, können in verschiedenen Implementierungen der Detektorabschnitt 367 und das Skalenmuster 380 ungefähr planar sein (z. B. sie können ungefähr planare Substrate einschließen oder auf diesen ausgebildet sein) und der Detektorabschnitt 367 kann dazu konfiguriert sein, ungefähr parallel zu dem periodischen Skalenmuster 380 mit einem nominalen Betriebsspalt GapZ zwischen ihren jeweiligen Leitern montiert zu werden. Beispielsweise kann in verschiedenen Implementierungen der nominale Betriebsspalt GapZ mindestens 0,075*W1 betragen, um praktische Anordnungs- und Ausrichtungstoleranzen zu ermöglichen. In einigen derartigen Implementierungen kann der nominale Betriebsspalt mindestens 0,15*W1 betragen. Wie in 4 gezeigt, wird der zentrale Magnetfluss CF im Allgemeinen über einen praktischen Bereich von Betriebsspalten effektiv durch das Sensorelement SEN14 gekoppelt. Aufgrund des Betriebsspalts wird jedoch unter Umständen mindestens ein Teil des Randmagnetflusses MF nicht effektiv durch das Sensorelement SEN14 gekoppelt. Beispielsweise wird bei einer relativ größeren Dimension für den Betriebsspalt GapZ, wie in 4 übertrieben dargestellt, keine der Randmagnetflusslinien MFL1-MFL3 durch das Sensorelement SEN14 gekoppelt und trägt nicht zum Strom Isense bei. Als Ergebnis entspricht für die in 4 qualitativ dargestellte Konfiguration die effektive Breite Weff (dargestellt durch eine gestrichelte Linie in 4) des von dem Sensorelement SEN14 erfassten Signalmodulationselements SME nur den gekoppelten zentralen Magnetflusslinien CFL. In 4 ist zu sehen, dass, selbst wenn der Betriebsspalt GapZ verringert wird, um beispielsweise die magnetische Randflusslinie MFL3 durch das Messelement SEN14 zu koppeln, die effektive Breite Weff immer noch kleiner als die durchschnittliche Dimension DSME des Signalmodulationselements SME wäre.
  • Im Gegensatz zu herkömmlichen Lehren des Standes der Technik, die vorstehend unter Bezugnahme auf 2 aufgezeigt wurden, weist ein Signalmodulationselement SME somit vorteilhafterweise eine durchschnittliche Dimension DSME auf, die größer als die gewünschte effektive Breite Weff ist, um eine effektive Breite Weff aufzuweisen, die die gewünschte maximale Signalvariation und/oder das gewünschte Signalprofil gegenüber der Verschiebung erstellt, während es entlang der Messachsenrichtung an den Sensorelementen SEN vorbei bewegt wird. Beispielsweise kann es bei einigen Implementierungen wünschenswert sein, dass die Dimension Weff ungefähr 0,5*W1 beträgt, was gemäß der vorstehenden Erörterung bedeutet, dass bei Verwendung eines praktischen Betriebsspalts GapZ die durchschnittliche Dimension DSME eines Signalmodulationselements SME wünschenswerterweise in einigen derartigen Implementierungen mindestens 0,6*W1 oder 0,66*W1 oder 0,7*W1 oder mehr betragen kann.
  • Es sollte beachtet werden, dass, wenn die Signalmodulationselemente SME leitfähige Platten anstatt leitfähiger Schleifen sind, wie in 4 gezeigt, eine Verteilung von „konzentrischen“ Wirbelströmen in derartigen leitfähigen Platten als Reaktion auf das erzeugte sich ändernde Magnetfeld GCMF erstellt werden kann. Diese Wirbelströme sind betriebsmäßig vergleichbar mit dem in 4 gezeigten induzierten Strom Iind. Wenn die leitfähige Platte jedoch eine durchschnittliche Dimension DSME aufweist, die gleich der in 4 gezeigten leitfähigen Schleife SME ist, dann liegt ihr „Äquivalentstromort“ aufgrund ihres verteilten „konzentrischen“ Musters ihrer Wirbelströme irgendwo innerhalb der Kanten der leitfähigen Platte, was zu einer noch kleineren effektiven Breite Weff als derjenigen führt, die einer leitfähigen Schleife ähnlicher Größe zugeordnet ist. Folglich kann es zusätzlich zur Verwendung eines relativ größeren Wertes der durchschnittlichen Dimension DSME bei Verwendung eines relativ größeren Betriebsspalts zwischen dem Detektorabschnitt 367 und dem Skalenmuster 380 besonders wünschenswert sein, dass ein Signalmodulationselement SME vom leitfähigen Plattentyp eine durchschnittliche Dimension DSME aufweist, die in Richtung des größeren Endes der vorstehend aufgezeigten wünschenswerten Bereiche liegt. Beispielsweise hat der Erfinder festgestellt, dass die durchschnittliche Dimension DSME zwischen 0,7*W1 und 0,8*W1 bei einigen dieser Implementierungen vorteilhaft ist.
  • Als weitere Überlegung bezüglich des gewünschten Signalprofils gegenüber der Verschiebung sollte beachtet werden, dass die im Signalprofil enthaltenen unerwünschten räumlichen Harmonischen allgemein gesprochen von der Form der Signalmodulationselemente SME und deren effektiver Breite Weff und der Form und Breite der Sensorelemente SEN, sowie dem Betriebsspalt zwischen ihnen abhängig sind. Beispielsweise werden in Detektor- und Skalenkonfigurationen, die analog zu den vorstehend aufgezeigten sind, wenn die effektive Breite Weff ungefähr 0,5*W1 beträgt, die geradzahligen räumlichen Harmonischen weitgehend aus den Detektorsignalen eliminiert. Jedoch können die ungeraden räumlichen Harmonischen entsprechend 0,33*W1 usw. verbleiben. In der US-Patentanmeldung Nr. 16/021,528 , veröffentlicht als US 2020/0003581 , wurde vorgeschlagen, dass das Konfigurieren des Signalmodulationselements SME, um eine effektive Breite Weff von 0,66*W1 bereitzustellen, die Tendenz aufweisen kann, die ungeraden räumlichen Harmonischen entsprechend 0,33*W1 zu unterdrücken. Alternativ hat der Erfinder kürzlich erfahren, dass in dem zuvor aufgenommenen '708-Patent vorgeschlagen wurde, dass das Konfigurieren der Signalmodulationselemente mit einer tatsächlichen Breite von 5/6*W1 (ungefähr 0,83*W1) mit oder ohne einen Schlitz der Breite 1/6*W1 in ihrer Mitte die Tendenz beinhalten kann, die ungeraden räumlichen Harmonischen entsprechend 0,33*W1 zu unterdrücken. Es ist anzumerken, dass dies die vorstehend aufgezeigte Erläuterung der effektiven Breite Weff nicht berücksichtigt und daher wahrscheinlich nicht wie im '708-Patent beschrieben funktioniert. Auf jedem Fall haben diese Konfigurationen in der Praxis nicht das erwartete oder gewünschte Ausmaß an räumlicher Filterung bereitgestellt. Aufgrund der hohen Genauigkeiten, die bereits durch zuvor bekannte induktive Positionscodierer nach dem Stand der Technik erreicht wurden, haben diese Konfigurationen keine räumliche Filterung auf einem Niveau auf dem erwarteten oder vorhergesagten Niveau bereitgestellt und haben den Stand der Technik in dieser Hinsicht nicht auf wünschenswerte Weise verbessert oder weiterentwickelt.
  • Wie hierin offenbart, hat der Erfinder bestimmte Konfigurationen der Sensorelemente SEN entdeckt, die in Kombination mit Konfigurationen des vorstehend aufgezeigten Signalmodulationselements SME verwendet werden können, um die vorstehend aufgezeigten Unzulänglichkeiten der räumlichen Filterung zu beheben. Verschiedene wünschenswerte Konfigurationen für die Sensorelemente SEN werden nachstehend ausführlich unter Bezugnahme auf 6, 7 und 8 beschrieben. Zuvor wird jedoch die Definition oder Interpretation bestimmter Dimensionen und Begriffe, die in dieser Beschreibung verwendet werden, unter Bezugnahme auf die in den 5A und 5B gezeigten Beispiele geklärt. 5A und 5B sind Draufsichtdiagramme, die bestimmte Aspekte des jeweiligen Signalmodulationselements und Implementierungen des Sensorelements analog zu den in 3 gezeigten schematisch veranschaulichen, einschließlich zusätzlicher Beispiele bestimmter beispielhafter Dimensionen, die ihre Merkmale gemäß hierin offenbarten Prinzipien charakterisieren können.
  • 5A und 5B sind Draufsichtdiagramme, die schematisch jeweilige Implementierungen von induktiven elektronischen Positionscodierern veranschaulichen, die weitere Beispiele der Dimensionen und Begriffe DSENmax, DSENavg, DSME, EffRSME, EffASEN und EffYSEN veranschaulichen, die zuvor unter Bezugnahme auf 3 aufgezeigt wurden. Auch die Dimension YSEG wird vorgestellt und erläutert. Bestimmte nummerierte Komponenten 5XX von 5A und 5B können ähnlichen Operationen oder Funktionen wie die nummerierten Komponenten 3XX von 3 entsprechen und/oder diese bereitstellen und können, sofern nicht anders angegeben, ähnlich zu verstehen sein.
  • 5A und 5B zeigen die räumliche Wellenlänge W1 und die zuvor aufgezeigten Dimensionen und Begriffe, wie sie auf ein nichtgerades Grenzprofil für die Signalmodulationselemente SME in 5A und für ein nichtgerades Grenzprofil für ein Sensorelement in 5B angewendet werden. Die zuvor aufgezeigte effektive Region EffRSME der Signalmodulationselemente SME wird durch eine punktierte Füllung innerhalb der Region oder des Raums der Signalmodulationselemente SME angegeben, die innerhalb von deren mit gestrichelten Konturen gezeigten Grenzen liegt und die mit dem Innenraum INTA ausgerichtet ist oder diesen überlappt. DSME ist die durchschnittliche Dimension entlang der Messachsenrichtung MA der effektiven Region EffRSME eines signalmodulierenden Elements SME. In verschiedenen Implementierungen kann die durchschnittliche Dimension DSME als der Raum der effektiven Region EffRSME eines Signalmodulationselements SME, dividiert durch die y-Achsenrichtungsdimension dieser effektiven Region EffRSME, genommen werden. Der Einfachheit und Konsistenz der Definition halber können für Signalmodulationselemente SME vom leitfähigen Plattentyp die entsprechenden Dimensionen der Kante des SME entsprechen, und für Signalmodulationselemente SME vom leitfähige Schleifentyp können die relevanten Dimensionen der Mittellinie der Leiter entsprechen. Für die in 5A und 5B gezeigten Implementierungen ist die y-Achsenrichtungsdimension dieser effektiven Region EffRSME dieselbe wie die Dimension YSEP, da die Dimension YSEP des Innenraums INTA der felderzeugenden Spule FGC kleiner ist als die -y-Achsendimension der signalmodulierenden Elemente SME, und darin enthalten ist. Dies muss jedoch nicht bei allen Implementierungen der Fall sein (z. B. wie in 7 gezeigt), und die vorherige Definition der effektiven Region EffRSME ist allgemeiner, einschließlich der Fälle, in denen die y-Achsenrichtungsdimension dieser effektiven Region EffRSME kleiner ist als die Dimension YSEP.
  • Der zuvor aufgezeigte effektive Raum EffASEN der Sensorelemente SEN wird durch eine schräge Linienfüllung innerhalb des Raums eines Sensorelements SEN angegeben, der innerhalb seiner mit durchgezogenen Linien gezeigten Grenzen liegt und der mit dem Innenraum INTA ausgerichtet ist oder diesen überlappt. Wie zuvor aufgezeigt, ist DSENmax die maximale Breitendimension des Sensorelements entlang der x-Achse oder Messachsenrichtung MA für den effektiven Raum EffASEN des Sensorelements SEN. DSENavg ist die durchschnittliche Breitendimension des Sensorelements, definiert als DSENavg= EffASEN/EffYSEN. Wie bereits aufgezeigt, ist EffYSEN die y-Achsendimension des effektiven Raums des Sensorelements EffASEN. In den in 5A und 5B gezeigten speziellen Implementierungen ist die effektive y-Achsendimension EffYSEN gleich YSEP, da jedes der Sensorelemente SEN eine maximale Sensorelementdimension entlang der y-Achsenrichtung aufweist, die YSEP überschreitet und dessen effektiver Raum EffASEN sich daher über die gesamte Dimension YSEP erstreckt. Für die spezielle Implementierung, die in 5A gezeigt ist, weist der effektive Raum EffASEN parallele Seiten auf, die senkrecht zur x-Achsenrichtung sind und eine Dimension YSEG aufweisen, die YSEP überspannt; daher ist DSENavg gleich DSENmax. YSEG ist der Einfachheit halber als die y-Richtung der Dimension von Segmenten der Leiter definiert, die Sensorelemente SEN definieren, die sich mit der maximalen Dimension DSENmax voneinander beabstandet befinden und die sich gerade entlang der y-Achsenrichtung erstrecken. Für die in 5B gezeigte spezielle Implementierung weist der effektive Raum EffASEN eine Konfiguration auf, die die Dimension DSENmax in ihrer Mitte entlang der y-Achsenrichtung aufweist, aber deren Seiten sich derart verjüngen oder krümmen, dass sie in Richtung ihres oberen und unteren Teils ihres effektiven Raums EffASEN schmaler werden. Daher ist DSENavg, wie gezeigt, etwas kleiner als DSENmax. Zur Vereinfachung und Konsistenz der Definition können bei der Bestimmung von DSENavg= EffASEN/EffYSEN eines Sensorelements SEN die relevanten Dimensionen der Mittellinie seiner definierenden Leiter entsprechen. In den in 5A und 5B gezeigten Implementierungen beträgt DSENmax nominal 0,5*W1. Dieser Wert ist jedoch nicht einschränkend (z. B. wie nachstehend in 8 gezeigt). Die Dimensionen DSENavg der in 5A und 5B gezeigten Konfigurationen von Sensorelementen SEN werden gemäß den nachstehend unter Bezugnahme auf 6, 7 und 8 aufgezeigten Prinzipien nicht bevorzugt und werden nur dargestellt, um die Definition oder Bestimmung von DSENavg zu verdeutlichen. Die in 5B gezeigte Dimension CCSEN ist der Mittenabstand der Sensorelemente SEN entlang der x-Achsenrichtung.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, wenn CCSEN 0,5*W1 beträgt, ungeachtet der Form oder Dimension DSENavg der Sensorelemente SEN.
  • Die 5A und 5B veranschaulichen auch eine Dimension DSPC, die gleich W1 minus DSME ist. In einer ersten Beschreibung kann die Dimension DSPC als einem „Nichtsignalmodulationszwischenraum“ zwischen den Signalmodulationselementen SME vom ersten Typ entsprechend beschrieben werden. In einer zweiten, allgemeineren Beschreibung, die für verschiedene andere Implementierungen eines periodischen Skalenmusters gilt, kann die Dimension DSPC jedoch so beschrieben werden, dass sie Signalmodulationselementen eines zweiten Typs entspricht, die sich zwischen den Signalmodulationselementen SME vom ersten Typ entlang der Messachsenrichtung befinden. Die Signalmodulationselemente vom zweiten Typ sind so konfiguriert, dass sie im Vergleich zu den Signalmodulationselementen SME vom ersten Typ einen relativ geringeren Effekt auf den sich ändernden Magnetfluss ausüben. Zum Beispiel umfassen in einigen Implementierungen die Signalmodulationselemente vom zweiten Typ Regionen von nichtleitfähigem Material. In einigen derartigen Implementierungen umfassen die Signalmodulationselemente vom zweiten Typ Regionen eines nichtleitfähigen Skalensubstrats, wobei die Signalmodulationselemente SME vom ersten Typ Leiter umfassen, die auf dem nichtleitfähigen Skalensubstrat hergestellt und/oder befestigt sind. Als weiteres Beispiel können in einigen Implementierungen die Signalmodulationselemente vom zweiten Typ „tiefer versenkte“ Regionen eines leitfähigen Materials umfassen, das verwendet wird, um das Skalenmuster zu bilden, und die Signalmodulationselemente SME vom ersten Typ können „nicht versenkte“ Regionen des leitfähigen Materials umfassen.
  • Zurückkommend auf die Erörterung des Filterns der Fehlerkomponente der 3. räumlichen Harmonischen (die bei 0,33*W1 periodisch ist) aus den Sensorelement-signalen hat der Erfinder, wie bereits erwähnt, bestimmte Konfigurationen der Sensorelemente SEN entdeckt, die in Kombination mit Konfigurationen des vorstehend aufgezeigten Signalmodulationselements SME verwendet werden können, um die vorstehend aufgezeigten Unzulänglichkeiten der räumlichen Filterung zu beheben. Im Stand der Technik sind Versuche bekannt, die Fehlerkomponente der 3. räumlichen Harmonischen aus den Sensorelementsignalen durch verschiedene Mittel zu filtern. Ein Ansatz bestand darin, die Sensorelemente in einer Sinusform zu konfigurieren, die theoretisch nur die grundlegende Raumfrequenz entsprechend W1 enthält. Aufgrund verschiedener praktischer Überlegungen und/oder Herstellungsbeschränkungen und/oder Anordnungs- oder Spaltvariationen hat dies jedoch die Fehlerkomponente der 3. räumlichen Harmonischen nicht vollständig unterdrückt. Ein weiterer Ansatz bestand darin, Sätze von Sensorelementen SETSEN an räumlichen Phasen anzuordnen, die 0,33*W1 voneinander entfernt sind, und die resultierenden Signale zu verarbeiten, um die Fehlerkomponente der 3. räumlichen Harmonischen zu entfernen. Dieser Ansatz ist relativ effektiv, aber in vielen Anwendungen ist es aus praktischen Gründen wünschenswert, Quadratursignale (d. h. bei räumlichen Phasen, die 0,25*W1 voneinander entfernt sind) von den Sätzen von Sensorelementen SETSEN bereitzustellen, wodurch es unzweckmäßig ist, Sätze von Sensorelementen SETSEN bei räumlichen Phasen, die 0,33*W1 voneinander entfernt sind, anzuordnen.
  • Um die dem vorstehend aufgezeigten Ansatz inhärenten Probleme und Mängel zu lösen, hat der Erfinder entdeckt, dass Konfigurationen der Sensorelemente SEN, die eine durchschnittliche Sensorelementdimension DSENavg in einem besonders vorteilhaften Bereich bereitstellen, in Kombination mit Konfigurationen des vorstehend aufgezeigten Signalmodulationselements SME verwendet werden können, um die Fehlerkomponente der 3. räumlichen Harmonischen im Wesentlichen zu filtern und/oder zu unterdrücken. Überraschenderweise schließt der besonders vorteilhafte Bereich nicht 0,33*W1 ein, was aufgrund offensichtlicher theoretischer Überlegungen zu erwarten wäre. Vielmehr ist es, wie hierin offenbart, besonders vorteilhaft, wenn ein Sensorelement SEN, das dazu konfiguriert ist, dass es eine durchschnittliche Dimension DSENavg des Sensorelements bereitstellt, die mindestens 0,285*W1 und höchstens 0,315*W1 beträgt, in Kombination mit Signalmodulationselementen SME verwendet wird, die eine durchschnittliche Dimension DSME von mindestens 0,55*W1 und höchstens 0,8*W1 für einen praktischen Bereich von Wellenlängen W1 und Betriebsspalten aufweisen. Verschiedene wünschenswerte Konfigurationen für derartige Sensorelemente SEN werden nachstehend ausführlich unter Bezugnahme auf 6, 7 und 8 beschrieben.
  • 6 ist ein Draufsichtdiagramm zum Veranschaulichen bestimmter Aspekte einer ersten beispielhaften Implementierung der Sensorelemente SEN und Signalmodulationselemente SME, die gemäß den vorstehend aufgezeigten Prinzipien zur Verwendung in einem Detektorabschnitt 667 und einem Skalenmuster 680 in einem elektronischen Positionscodierer wie in 1 gezeigt, konfiguriert und kombiniert sind, zusammen mit verschiedenen Dimensionen, die ihre Merkmale gemäß den vorstehend aufgezeigten Prinzipien charakterisieren können. Es versteht sich, dass bestimmte nummerierte und/oder benannte Komponenten ähnlich nummerierten oder benannten Komponenten von 5A und 5B entsprechen und/oder ähnlich wie diese arbeiten können und ähnlich verstanden werden können, sofern nicht anders angegeben. Daher werden in der folgenden Beschreibung nur bestimmte Unterschiede in den Sensorelementen SEN und Signalmodulationselementen SME hervorgehoben. Die in 6 gezeigte Implementierung enthält ein Signalmodulationselement SME analog zu den in den 5A und 5B gezeigten, mit einer effektiven Region EffRSME mit einer durchschnittlichen Dimension DSME von ungefähr 0,75*W1 (in dieser speziellen Implementierung).
  • Die Sensorelemente SEN schließen Leiter auf einer ersten Fertigungsschicht (mit durchgehender Linie dargestellt) und Leiter auf einer zweiten Fertigungsschicht (mit gestrichelter Linie dargestellt) ein, die durch Durchführungen FT gemäß bekannten Verfahren verbunden sind (wie z. B. in den aufgenommenen Referenzen beschrieben). Die felderzeugende Spule FGC wird bei dieser Implementierung auf einer dritten Fertigungsschicht hergestellt, um sie von den Durchführungen FT zu isolieren. Wie in 6 gezeigt, enthalten die Leiter eines Sensorelements SEN die y-Achsenrichtungs-segmente, die die kurze y-Achsendimension YSEG einschließen und die entlang der x-Achsenrichtung bei DSENmax=0,5*W1 beabstandet sind, und Segmente, die sich von den y-Achsenrichtungssegmenten zu den Durchführungen FT hin verjüngen. Der zugeordnete trapezförmige effektive Raum EffASEN (durch eine schräge Linienfüllung in 6 angegeben) weist die y-Achsendimension EffySEN auf, die in dieser Implementierung gleich YSEP ist. In verschiedenen Implementierungen ist das Sensorelement SEN derart konfiguriert, dass DSENavg=EffASEN/EffYSEN mindestens 0,285*W1 und höchstens 0,315*W1 beträgt. In einigen Implementierungen kann es wünschenswert sein, wenn DSENavg mindestens 0,29*W1 und höchstens 0,31*W1 beträgt. Für eine gegebene Wahl von DSENmax können verschiedene Werte von DESNavg bereitgestellt werden, indem die Dimension YEG und der Ort der Durchführungen und der angrenzenden Leiter entsprechend konfiguriert werden. In einigen derartigen Implementierungen kann die y-Achsendimension YSEG null sein. Obwohl DSENmax in der veranschaulichten speziellen Implementierung nominal 0,5*W1 beträgt, ist es möglich, die Leiter verschiedener Schichten so zu konfigurieren, dass sie überlappende x-Achsenrichtungssegmente in der Nähe der Dimension YSEG und zwischen den benachbarten Sensorelementen SEN enthalten, derart, dass DSENmax auf Wunsch kleiner als 0,5*W1 sein kann.
  • 7 ist ein Draufsichtdiagramm zum Veranschaulichen bestimmter Aspekte einer zweiten beispielhaften Implementierung der Sensorelemente SEN und Signalmodulationselemente SME, die gemäß den vorstehend aufgezeigten Prinzipien zur Verwendung in einem Detektorabschnitt 767 und einem Skalenmuster 680 in einem elektronischen Positionscodierer wie in 1 gezeigt, konfiguriert und kombiniert sind, zusammen mit verschiedenen Dimensionen, die ihre Merkmale gemäß den vorstehend aufgezeigten Prinzipien charakterisieren können. Es versteht sich, dass bestimmte nummerierte und/oder benannte Komponenten ähnlich nummerierten oder benannten Komponenten von 6 (und 5A und 5B) entsprechen und/oder ähnlich wie diese arbeiten können, und ähnlich verstanden werden können, sofern nicht anders angegeben. Daher werden in der folgenden Beschreibung nur bestimmte Unterschiede in den Sensorelementen SEN und Signalmodulationselementen SME hervorgehoben. Die in 7 gezeigte Implementierung enthält ein Signalmodulationselement SME analog zu den in den 6 gezeigten, mit einer effektiven Region EffRSME, die eine durchschnittliche Dimension DSME von ungefähr 0,75*W1 (in dieser speziellen Implementierung) aufweist.
  • Die Sensorelemente SEN sind analog zu den in 6 gezeigten und schließen Leiter auf einer ersten Fertigungsschicht (mit durchgehender Linie dargestellt) und Leiter auf einer zweiten Fertigungsschicht (mit gestrichelter Linie dargestellt) ein, die durch Durchführungen FT gemäß bekannten Verfahren verbunden sind (wie z. B. in den aufgenommenen Referenzen beschrieben). Die Durchführungen FT befinden sich jedoch innerhalb des Innenraums INTA. Dies hat den Vorteil, dass die felderzeugende Spule FGC in dieser Implementierung auf der ersten und/oder zweiten Fertigungsschicht hergestellt werden kann, was die Herstellungskosten des Detektorabschnitts 767 reduziert. Es hat den Nachteil, dass der effektive Raum EffASEN der Sensorelemente SEN kleiner sein kann als die in 6 gezeigte Implementierung, was die Signalstärke verringern kann. Dies kann jedoch bei einigen Anwendungen ein wünschenswerter Kompromiss sein. Der effektive Raum EffASEN in dieser Implementierung (durch die schräge Linienfüllung in 7 angegeben) weist die y-Achsendimension EffySEN auf, die in dieser Implementierung kleiner als YSEP ist. In verschiedenen Implementierungen ist das Sensorelement SEN derart konfiguriert, dass DSENavg=EffASEN/EffYSEN mindestens 0,285*W1 und höchstens 0,315*W1 beträgt. In einigen Implementierungen kann es wünschenswert sein, wenn DSENavg mindestens 0,29*W1 und höchstens 0,31*W1 beträgt. Für eine gegebene Wahl von DSENmax können verschiedene Werte von DESNavg bereitgestellt werden, indem die Dimension YEG und der Ort der Durchführungen und der angrenzenden Leiter entsprechend konfiguriert werden. Obwohl DSENmax in der veranschaulichten speziellen Implementierung nominal 0,5*W1 beträgt, ist es möglich, die Leiter verschiedener Schichten so zu konfigurieren, dass sie überlappende x-Achsenrichtungssegmente in der Nähe der Dimension YSEG und zwischen den benachbarten Sensorelementen SEN enthalten, derart, dass DSENmax auf Wunsch kleiner als 0,5*W1 sein kann. Für ähnlich geformte Implementierungen, wenn DSENmax 0,5*W1 oder weniger beträgt, muss die Dimension YSEG möglicherweise mindestens 0,14*EffYSEN oder mehr betragen, damit DESNavg mindestens 0,285*W1 beträgt.
  • 8 ist ein Draufsichtdiagramm zum Veranschaulichen bestimmter Aspekte einer dritten beispielhaften Implementierung der Sensorelemente SEN und Signalmodulationselemente SME, die gemäß den vorstehend aufgezeigten Prinzipien zur Verwendung in einem Detektorabschnitt 867 und einem Skalenmuster 680 in einem elektronischen Positionscodierer wie in 1 gezeigt, konfiguriert und kombiniert sind, zusammen mit verschiedenen Dimensionen, die ihre Merkmale charakterisieren können, gemäß den vorstehend aufgezeigten Prinzipien. Es versteht sich, dass bestimmte nummerierte und/oder benannte Komponenten ähnlich nummerierten oder benannten Komponenten von 6 (und 5A und 5B) entsprechen und/oder ähnlich wie diese arbeiten können, und ähnlich verstanden werden können, sofern nicht anders angegeben. Daher werden in der folgenden Beschreibung nur bestimmte Unterschiede in den Sensorelementen SEN und Signalmodulationselementen SME hervorgehoben. Die in 8 gezeigte Implementierung enthält ein Signalmodulationselement SME analog zu den in den 6 gezeigten, mit einer effektiven Region EffRSME, die eine durchschnittliche Dimension DSME von ungefähr 0,75*W1 (in dieser speziellen Implementierung) aufweist.
  • Die Sensorelemente SEN sind analog zu den in 6 gezeigten und schließen Leiter auf einer ersten Fertigungsschicht (mit durchgehender Linie dargestellt) und Leiter auf einer zweiten Fertigungsschicht (mit gestrichelter Linie dargestellt) ein, die durch Durchführungen FT gemäß bekannten Verfahren verbunden sind (wie z. B. in den aufgenommenen Referenzen beschrieben). Die felderzeugende Spule FGC wird bei dieser Implementierung auf einer dritten Fertigungsschicht hergestellt, um sie von den Durchführungen FT zu isolieren. Wie in 6 gezeigt, enthalten die Leiter eines Sensorelements SEN die y-Achsenrichtungssegmente, die die lange y-Achsendimension YSEG aufweisen (länger als die Dimension YSEP des Innenraums INTA und diese überspannend) und die entlang der x-Achsenrichtung bei DSENmax voneinander beabstandet sind, und Segmente, die diese Segmente mit den Durchführungen FT verbinden. Der zugeordnete rechteckig geformte effektive Raum EffASEN (durch eine schräge Linienfüllung in 8 angegeben) weist die y-Achsendimension EffySEN auf, die in dieser Implementierung gleich YSEP ist. In dieser Implementierung ist DSENavg=DESNmax. In verschiedenen Implementierungen ist das Sensorelement SEN derart konfiguriert, dass DSENmax und DSENavg mindestens 0,285*W1 und höchstens 0,315*W1 betragen. In einigen Implementierungen kann es wünschenswert sein, wenn DSENmax und DSENavg mindestens 0,29*W1 und höchstens 0,31*W1 betragen. Die in 8 gezeigte Implementierung kann weniger empfindlich gegenüber Signaländerungen sein, die ansonsten aufgrund verschiedener Ausrichtungsfehler auftreten könnten.
  • Hinsichtlich des vorteilhaften Bereichs für die Dimension DSME des vorstehend offenbarten Signalmodulationselements SME kann/können für viele praktische Anwendungen, die den größten praktischen Spalt verwenden, der unter Signalstärkebetrachtungen zulässig ist, der/die vorteilhafteste(n) Wert(e) für DSME mindestens 0,66*W1 oder 0,7*W1 oder mehr betragen. Beispielsweise hat sich in verschiedenen Implementierungen ein Wert von 0,75*W1 für DSME als besonders vorteilhaft erwiesen. Dies kann jedoch, wie aus der vorherigen Erörterung impliziert, bis zu einem gewissen Grad von der speziellen Wellenlänge W1 und dem speziellen Betriebsspalt und der speziellen Betriebsfrequenz, und der speziellen Form und Konstruktion des/der Signalmodulationselemente(s) SME abhängig sein.
  • Hinsichtlich des vorteilhaften Bereichs für die Dimension DSENavg des vorstehend offenbarten Sensorelements SEN kann für viele praktische Anwendungen, die den größten praktischen Spalt verwenden, der unter Signalstärkeüberlegungen zulässig ist, und den/die vorteilhaftesten Wert(e) für DSME, die vorstehend aufgezeigt sind (z. B. DSME = 0,75*W1), der Wert von DSENavg, der am vorteilhaftesten kombiniert ist, im Bereich von 0,29*W1 bis 0,31*W1 liegen, und in einigen Implementierungen hat sich DSENavg = 0,30*W1 als besonders vorteilhaft erwiesen. Dies ist jedoch, wie durch die vorherige Erörterung impliziert, in gewissem Umfang von der speziellen Wellenlänge W1 und dem speziellen Betriebsspalt und der speziellen Dimension DSME und der Form und Konstruktion des/der Signalmodulationselemente(s) SME abhängig.
  • Es sollte sich auch verstehen, dass der Fehlerinhalt der 3. räumlichen Harmonischen in dem Signal von einem Satz von Signalmodulationselementen SETSEN äußerst empfindlich gegenüber der Auswahl von Dimensionen innerhalb der vorstehend offenbarten Bereiche ist. Zum Beispiel ist es wünschenswert, dass die Dimension DESNavg derart gewählt wird, dass sie den Fehlerinhalt der 3. räumlichen Harmonischen in einem Signal für die praktischen Variationen in den hergestellten Dimensionen und/oder Variationen im Betriebsspalt, der einem Satz von Signalmodulationselementen SETSEN zugeordnet ist, verwirft. Überraschenderweise hat der Erfinder entdeckt, dass in einer Implementierung, die dazu konfiguriert ist, einen Wert von 0,3*W1 für DSENavg bereitzustellen, Fehlerkomponenten, die dem Fehlerinhalt der 3. räumlichen Harmonischen zugeordnet sind, unterschiedslos unempfindlich gegenüber Variationen der Dimension DSME der Signalmodulationselemente SEN über einen Bereich von DSME=0,72*W1 bis DSME=0,79*W1 sind. Im Gegensatz dazu, wenn der Wert DSENavg um nur 10 % von seinem Wert geändert wird (z. B. auf 0,27*W1 oder 0,33*W1), dann nehmen Fehlerkomponenten, die dem Fehlerinhalt der 3. räumlichen Harmonischen zugeordnet sind, um einen Faktor von 10 oder mehr für Variationen in den Sensorelementen SEN über den Bereich von DSME=0,72*W1 bis DSME=0,79*W1 unakzeptabel zu.
  • Bezüglich der Frage, warum sich der vorteilhafte Bereich für die offenbarte Dimension DSENavg signifikant von dem „naiv“ erwarteten Wert von 0,33* unterscheidet, ist eine mögliche Erklärung, dass Fehlerkomponenten, die aus skalenpositionsabhängigen Impedanzvariationen im Detektor resultieren, durch DSENavg beeinflusst werden. Derartige positionsabhängige Impedanzvariationen können in der Größenordnung von 1 % liegen und waren im Stand der Technik unbekannt oder wurden nicht berücksichtigt. Es kann möglich sein, dass der hierin offenbarte vorteilhafte Bereich für DSENavg diese Impedanzvariationen „einstellt“ oder abstimmt, derart, dass, wenn ihre Signalkomponentenbeiträge „aliased“ werden, um mit anderen Fehlerquellen der 3. räumlichen Harmonischen kombiniert zu werden, die Summe der Effekte darin besteht, den Fehlerinhalt der 3. räumlichen Harmonischen zu negieren. Derartige subtile Effekte und zugeordnete Designeigenschaften wurden im Stand der Technik nicht berücksichtigt.
  • Während bevorzugte Implementierungen der vorliegenden Offenbarung dargestellt und beschrieben wurden, werden für den Fachmann basierend auf dieser Offenbarung zahlreiche Variationen in den dargestellten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Abfolgen von Vorgängen offensichtlich sein. Verschiedene alternative Formen können verwendet werden, um die hierin offenbarten Prinzipien zu implementieren.
  • Es versteht sich, dass die hier offenbarten und beanspruchten Prinzipien leicht und auf wünschenswerte Weise mit verschiedenen Merkmalen kombiniert werden können, die in den aufgenommenen Referenzen offenbart sind, sowie mit verschiedenen Merkmalen, die in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 16/826,842 , die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird, offenbart sind. Die verschiedenen vorstehend beschriebenen Implementierungen können kombiniert werden, um weitere Implementierungen bereitzustellen. Alle in dieser Beschreibung genannten US-Patente und US-Patentanmeldungen sind hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen. Aspekte der Implementierungen können bei Bedarf modifiziert werden, um Konzepte der verschiedenen Patente und Anmeldungen dazu einzusetzen, noch weitere Implementierungen bereitzustellen. Diese und andere Änderungen können an den Implementierungen unter Berücksichtigung der vorstehenden detaillierten Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sollten in den folgenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe nicht so ausgelegt werden, dass sie die Ansprüche auf die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbarten spezifischen Implementierungen einschränken, sondern sie sollten so ausgelegt werden, dass sie alle möglichen Implementierungen zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten enthalten, zu denen derartige Ansprüche berechtigen.
  • 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]
    • US 5973494 [0003]
    • US 5886519 [0003]
    • US 10520335 [0003]
    • US 5901458 [0018]
    • US 9958294 [0033]
    • US 16/021528 [0050]
    • US 2020/0003581 [0050]
    • US 16826842 [0070]

Claims (14)

  1. Elektronischer Positionscodierer, der zum Messen einer relativen Position zwischen zwei Elementen entlang einer Messachsenrichtung verwendbar ist, wobei der elektronische Positionscodierer Folgendes umfasst: eine Skala, die sich entlang der Messachsenrichtung erstreckt, die ein periodisches Skalenmuster enthält, das mindestens einen ersten Typ von Signalmodulationselementen umfasst, wobei das periodische Skalenmuster eine räumliche Wellenlänge W1 und Signalmodulationselemente vom ersten Typ, die ähnliche leitfähige Platten oder ähnliche leitfähige Schleifen umfassen, die sich entlang der Messachsenrichtung entsprechend der räumlichen Wellenlänge W1 befinden, aufweist; einen Detektorabschnitt, der so konfiguriert ist, dass er in der Nähe des periodischen Skalenmusters und zum Bewegen entlang der Messachsenrichtung relativ zu dem periodischen Skalenmuster montiert wird, wobei der Detektorabschnitt umfasst: eine felderzeugende Spule, die auf einem Substrat befestigt ist, wobei die felderzeugende Spule einen Innenraum umgibt, der während des Betriebs mit einem periodischen Skalenmuster von Signalmodulationselementen ausgerichtet ist, wobei die felderzeugende Spule einen sich ändernden Magnetfluss im Innenraum als Reaktion auf ein Spulenansteuerungssignal erzeugt; und einen Satz von Sensorelementen, die entlang der Messachsenrichtung angeordnet und auf dem Substrat befestigt sind, Elemente des Satzes von Sensorelementen, umfassend leitfähige Schleifen oder leitfähige Schleifenabschnitte, die einen effektiven Raum EffASEN des Sensorelements definieren, der dem Abschnitt des Sensorelements entspricht, der mit dem Innenraum ausgerichtet ist oder den Innenraum überlappt, wobei der Satz von Sensorelementen dazu konfiguriert ist, Detektorsignale bereitzustellen, die auf einen lokalen Effekt auf den durch benachbarte signalmodulierende Elemente des Skalenmusters bereitgestellten sich ändernden Magnetfluss reagieren; und eine Signalverarbeitungskonfiguration, die betriebsfähig mit dem Detektorabschnitt verbunden ist, um das Spulenansteuerungssignal bereitzustellen, und die eine relative Position zwischen dem Detektorabschnitt und dem Skalenmuster basierend auf Detektorsignalen bestimmt, die von dem Detektorabschnitt eingegeben werden, wobei: die Signalmodulationselemente vom ersten Typ eine effektive Region EffRSME enthalten, die im Betrieb auf den Innenraum ausgerichtet ist oder diesen überlappt, und die effektive Region eine durchschnittliche Dimension DSME entlang der Messachsenrichtung aufweist, die mindestens 0,55*W1 und höchstens 0,8*W1 beträgt; und der effektive Raum EffASEN des Sensorelements, der mit dem Innenraum ausgerichtet ist oder diesen überlappt, eine effektive y-Achsendimension EffYSEN entlang einer y-Achsenrichtung senkrecht zur Messachsenrichtung und eine maximale Dimension DSENmax entlang der Messachsenrichtung aufweist, und dazu konfiguriert ist, eine durchschnittliche Dimension des Sensorelements DSENavg=(EffASEN/EffYSEN) entlang der Messachsenrichtung bereitzustellen, die mindestens 0,285*W1 und höchstens 0,315*W1 beträgt.
  2. Elektronischer Positionscodierer nach Anspruch 1, wobei DSENavg mindestens 0,29*W1 und höchstens 0,31*W1 beträgt.
  3. Elektronischer Positionscodierer nach Anspruch 1, wobei DSENmax mindestens 0,285*W1 und höchstens 0,5*W1 beträgt.
  4. Elektronischer Positionscodierer nach Anspruch 3, wobei die leitfähigen Schleifen oder leitfähigen Schleifenabschnitte, die den effektiven Raum EffASEN definieren, y-Richtungssegmente umfassen, die sich in der maximalen Dimension DSENmax voneinander beabstandet befinden und die sich gerade entlang der y-Achsenrichtung erstrecken und eine y-Achsendimension YSEG, die mindestens 0,14*EffYSEN beträgt, aufweisen.
  5. Elektronischer Positionscodierer nach Anspruch 4, wobei DSENmax nominal 0,5*W1 beträgt.
  6. Elektronischer Positionscodierer nach Anspruch 4, wobei die y-Richtungssegmentdimension YSEG den gesamten Innenraum entlang der -y-Achsenrichtung überspannt und die y-Richtungssegmente voneinander entlang der Messachsenrichtung bei der maximalen Dimension DSENmax beabstandet sind, wobei DSENavg=DSENmax und DSENMax mindestens 0,285*W1 und höchstens 0,315*W1 beträgt.
  7. Elektronischer Positionscodierer nach Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Dimension DSME mindestens 0,66*W1 beträgt.
  8. Elektronischer Positionscodierer nach Anspruch 7, wobei die durchschnittliche Dimension DSME mindestens 0,7*W1 beträgt.
  9. Elektronischer Positionscodierer nach Anspruch 1, wobei die Signalmodulationselemente vom ersten Typ die ähnlichen leitfähigen Platten umfassen.
  10. Elektronischer Positionscodierer nach Anspruch 1, wobei die Signalmodulationselemente vom ersten Typ die ähnlichen leitfähigen Schleifen umfassen.
  11. Elektronischer Positionscodierer nach Anspruch 1, wobei der Detektorabschnitt und die Skala ungefähr planare Substrate einschließen und der Detektorabschnitt dazu konfiguriert sein kann, ungefähr parallel zu dem periodischen Skalenmuster mit einem nominalen Betriebsspalt zwischen ihren jeweiligen Leitern, der mindestens 0,075*W1 beträgt, montiert zu werden.
  12. Elektronischer Positionscodierer nach Anspruch 11, wobei der nominale Betriebsspalt mindestens 0,15*W1 beträgt.
  13. Elektronischer Positionscodierer nach Anspruch 1, wobei W1 höchstens 2 Millimeter beträgt.
  14. Elektronischer Positionscodierer nach Anspruch 1, wobei W1 höchstens 1,5 Millimeter beträgt.
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