DE102021210173A1

DE102021210173A1 - Induktive positionsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102021210173A1
Application number: DE102021210173.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Heumann
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2023-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine induktive Positionsmesseinrichtung, die ein Abtastelement (1) und ein Teilungselement (2a; 2b; 2c; 2d) aufweist, welche relativ zueinander in einer ersten Richtung (x) bewegbar sind. Das Abtastelement (1) umfasst Erregerleitungen (1.4, 1.5) sowie eine erste und eine zweite Empfängerspur (1.1, 1.2). Das Teilungselement (2a; 2b; 2c; 2d) weist eine erste Teilungsspur (2.1a; 2.1b; 2.1c; 2.1d) auf, die erste Stege (2.11a; 2.11b; 2.11c; 2.11d) und erste Nuten (2.12a; 2.12d) umfasst und eine zweite Teilungsspur (2.2a; 2.2b; 2.2c; 2.2d), die zweite Stege (2.21a; 2.21b; 2.21c; 2.21d) und zweite Nuten (2.22a; 2.22d) umfasst. Ein Luftspalt (L2a; L2b; L2c; L2d) zwischen der zweiten Empfängerspur (1.2) und den zweiten Stegen (2.21a; 2.21b; 2.21c; 2.21d) und / oder den zweiten Nuten (2.22a; 2.22d) weist eine zweite Ausdehnung (D2a(z); D2b(z); D2c(z); H2d(z)) auf, die entlang der zweiten Richtung (z) unterschiedlich groß ist. Dadurch kann eine relative Verschiebung entlang einer zweiten Richtung (z) zwischen dem Abtastelement (1) und dem Teilungselement (2a; 2b; 2c; 2d) bestimmt werden.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft eine induktive Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung von Relativpositionen gemäß dem Anspruch 1.
Induktive Positionsmesseinrichtungen werden beispielsweise als Drehgeber zur Bestimmung der Winkellage zweier relativ zueinander drehbaren Maschinenteile verwendet. Bei induktiven Positionsmesseinrichtungen sind häufig Erregerspulen und Empfängerspulen etwa in Form von Leiterbahnen auf einer gemeinsamen Leiterplatte aufgebracht, die beispielsweise mit einem Stator eines Drehgebers fest verbunden ist. Dieser Leiterplatte gegenüber befindet sich ein Teilungselement, auf dem in periodischen Abständen alternierend elektrisch leitfähige und nichtleitfähige Flächen oder Stege und Nuten als Teilungsstruktur angeordnet sind, und welches mit dem Rotor des Drehgebers drehfest verbunden ist. Wenn an den Erregerspulen ein zeitlich wechselnder elektrischer Erregerstrom angelegt wird, werden in den Empfängerspulen während der Relativdrehung zwischen Rotor und Stator von der Winkellage abhängige Signale erzeugt. Diese Signale werden dann in einer Auswerteelektronik weiterverarbeitet.
Ferner werden induktive Positionsmesseinrichtungen häufig auch zur direkten Messung von Längsverschiebungen entlang einer Achse verwendet. Dabei wird das gleiche Messprinzip angewendet wie bei den oben genannten Drehgebern, allerdings verlaufen dann die Empfängerspulen und die Teilungsstruktur entlang der geradlinigen Achse.
STAND DER TECHNIK
In der DE 10 2012 223 037 A1 der Anmelderin wird eine induktive Positionsmesseinrichtung beschrieben, bei der neben der Messung der Position in einer ersten Richtung zusätzlich eine Verschiebung in eine zweite Richtung bestimmbar ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine induktive Positionsmesseinrichtung zu schaffen, durch die eine Bestimmung einer Verschiebung mit einer Richtung senkrecht zur eigentlichen Messrichtung auf einfache Weise ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Die induktive Positionsmesseinrichtung weist ein Abtastelement und ein Teilungselement auf, wobei das Abtastelement relativ zum Teilungselement in einer ersten Richtung bewegbar ist. Das Abtastelement umfasst Erregerleitungen sowie eine erste Empfängerspur und eine zweite Empfängerspur. Jede der Empfängerspuren weist zwei Empfängerleitungen auf. Die Empfängerspuren sind zueinander in einer zweiten Richtung, welche sich orthogonal zur ersten Richtung erstreckt, versetzt angeordnet. Das Teilungselement weist eine erste Teilungsspur auf, die erste Stege und erste Nuten umfasst. Ferner weist das Teilungselement eine zweite Teilungsspur auf, die zweite Stege und zweite Nuten umfasst. Die Teilungsspuren sind in der zweiten Richtung versetzt zueinander angeordnet und weisen jeweils entlang der ersten Richtung unterschiedliche Teilungsperioden auf. Die erste Empfängerspur und die erste Teilungsspur sind so einander gegenüber liegend angeordnet, dass sich zwischen diesen ein erster Luftspalt befindet. Gleichermaßen sind die zweite Empfängerspur und die zweite Teilungsspur so einander gegenüber liegend angeordnet, dass sich zwischen diesen ein zweiter Luftspalt befindet. Die Positionsmesseinrichtung ist so konfiguriert, dass von den Erregerleitungen erzeugte elektromagnetische Felder über den Luftspalt hinweg durch das Teilungselement modulierbar sind. Zumindest der zweite Luftspalt weist zwischen der zweiten Empfängerspur und a) den zweiten Stegen und / oder b) den zweiten Nuten eine (zweite) Ausdehnung auf, die entlang der zweiten Richtung unterschiedlich groß ist. Durch diese Anordnung kann eine relative Verschiebung entlang der zweiten Richtung zwischen dem Abtastelement und dem Teilungselement bestimmt werden.
Eine Teilungsperiode ist eine geometrische Länge, die durch die Teilungsstruktur bestimmt ist. Innerhalb einer Teilungsperiode befinden sich jeweils genau ein Steg und eine Nut.
Als Spuren, also insbesondere die Erregerspur, die erste und zweite Empfängerspur sowie die Teilungsspur, sind geometrische Bereiche zu verstehen, die sich entlang der ersten Richtung erstrecken und eine Ausdehnung in der zweiten Richtung aufweisen. Im Falle einer Winkelmesseinrichtung ist das Teilungselement relativ zum Abtastelement um eine Achse drehbar, wobei dann die zweite Richtung parallel zu dieser Achse orientiert ist. Bei einer Winkelmesseinrichtung, bei der die Teilungsspur an einer Mantelseite eines zylindrischen Teilungselementes angeordnet ist, kann eine Spur als eine rechteckige Fläche aufgefasst werden, die sich entlang des Umfangs erstreckt und insbesondere in der ersten Richtung endlos sein kann. Bei Positionsmessgeräten zur Messung einer translatorischen Relativposition kann eine Spur eine rechteckige Geometrie aufweisen. Die erste oder die zweite Empfängerspur kann über die vollständige Messlänge beziehungsweise den vollständigen Umfang oder nur abschnittsweise oder segmentweise Empfängerleiter aufweisen.
Die Relativbewegung kann eine Drehbewegung sein oder eine lineare Bewegung. Entsprechend kann die Relativposition eine Winkelstellung oder eine translatorische Stellung sein. Durch die unterschiedlichen Teilungsperioden in den einzelnen Teilungsspuren kann mit Hilfe geeigneter Signalauswerteverfahren, beispielsweise nach dem Noniusprinzip, eine absolute Relativposition zwischen dem Abtastelement und dem Teilungselement bestimmbar sein. Die Positionsmesseinrichtung ist so konfiguriert, dass bei gleicher Relativbewegung zwischen dem Abtastelement und dem Teilungselement durch die Empfängerleiterbahnen der ersten Empfängerspur eine größere Anzahl von Signalperioden erzeugbar ist als durch die Empfängerleiterbahnen der zweiten Empfängerspur. Unter gleicher Relativbewegung sind Relativbewegungen gleicher Größe zu verstehen, beispielsweise eine Relativdrehung um ein bestimmtes Winkelmaß oder eine Längsverschiebung um ein bestimmtes Längenmaß.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Luftspalt zwischen der ersten Empfängerspur und den ersten Stegen eine erste Ausdehnung auf, die entlang der zweiten Richtung unterschiedlich groß ist. Alternativ oder ergänzend weist der erste Luftspalt zwischen der ersten Empfängerspur und den ersten Nuten eine erste Ausdehnung auf, die entsprechend entlang der zweiten Richtung unterschiedlich groß ist. Die Höhe der Amplitude der empfangenen Signale hängt von der Ausdehnung des Luftspalts ab. Daher kann durch die entlang der zweiten Richtung veränderliche Ausdehnung des Luftspaltes im Bereich der Stege oder im Bereich der Nuten oder in beiden Bereichen die relative Verschiebung in der zweiten Richtung bestimmt beziehungsweise gemessen werden.
Weiterhin kann sich der Abstand zwischen dem Plateau der ersten Stege und der ersten Empfängerspur entlang der zweiten Richtung ändern. Alternativ oder ergänzend ändert sich der Abstand zwischen dem Grund der ersten Nuten und der ersten Empfängerspur entlang der zweiten Richtung. Die Erfindung betrifft demnach auch Teilungselemente, bei denen sich sowohl der Abstand zwischen dem Plateau der ersten Stege und der ersten Empfängerspur entlang der zweiten Richtung ändert als auch der Abstand zwischen dem Grund der ersten Nuten und der ersten Empfängerspur. In diesem Fall weist das Teilungselement abgeschrägte Stege und Nuten deren Grund schräg verläuft auf.
Als Plateau kann eine Fläche verstanden werden, die einer Empfängerspur im Bereich des Steges gegenüber liegt, also beispielsweise diejenige Fläche, die einen Steg radial außen begrenzt. Entsprechend kann als Grund einer Nut eine Fläche verstanden werden, die einer Empfängerspur im Bereich der Nut gegenüber liegt.
Vorteilhafterweise ist das Teilungselement so ausgestaltet, dass entlang der zweiten Richtung die Änderung der ersten Ausdehnung kleiner ist als die Änderung der zweiten Ausdehnung.
Vorteilhafterweise liegt das Verhältnis der Teilungsperiode der ersten Teilungsspur zur Teilungsperiode der zweiten Teilungsspur innerhalb eines Bereiches von ¼ bis 4. Insbesondere kann das Verhältnis minimal ⅓ und maximal 3 betragen, mit Vorteil liegt das Verhältnis innerhalb eines Bereiches von ½ bis 2. Beispielsweise kann im Fall einer Positionsmesseinrichtung, die dazu bestimmt ist Winkelstellungen zu messen, die Anzahl der Teilungsperioden der ersten Teilungsspur sich um den Wert eins gegenüber der Anzahl der Teilungsperioden der zweiten Teilungsspur unterscheiden. Mit Vorteil ist die Teilungsperiode der zweiten Teilungsspur größer als die Teilungsperiode der ersten Teilungsspur.
Insbesondere wenn durch die Positionsmesseinrichtung Winkelstellungen bestimmbar sein sollen, kann das Teilungselement eine gekrümmte Mantelfläche aufweisen, auf beziehungsweise an der die Teilungsspuren in axialem Abstand angeordnet sind, also bezogen auf die Achse, um welche die Drehung erfolgen soll, axial versetzt sind. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Teilungselement eine plane Fläche auf, auf welcher die Teilungsspuren angeordnet sind. Eine derartige Ausführung ist insbesondere im Zusammenhang mit der Messung von translatorischen Bewegungen oder Stellungen vorteilhaft.
Mit Vorteil sind in den Empfängerleitungen der ersten Empfängerspur erste Signale erzeugbar beziehungsweise empfangbar. Zudem sind in den Empfängerleitungen der zweiten Empfängerspur zweite Signale erzeugbar. Aus den beiden ersten Signalen kann eine erste resultierende Amplitude bestimmt werden und aus beiden zweiten Signalen eine zweite resultierende Amplitude. Auf Basis der Differenz zwischen der ersten resultierenden Amplitude und der zweiten resultierenden Amplitude ist die relative Verschiebung entlang der zweiten Richtung bestimmbar.
Weiterhin ist die Positionsmesseinrichtung so konfiguriert, dass bei zunehmender relativer Verschiebung entlang der zweiten Richtung die erste resultierende Amplitude des ersten Signals ansteigt, während die zweite resultierende Amplitude des zweiten Signals abnimmt. Bei zunehmender relativer Verschiebung entlang der zweiten Richtung, insbesondere bei einer Verschiebung in die entgegengesetzte Richtung, nimmt dann die erste resultierende Amplitude des ersten Signals ab, während die zweite resultierende Amplitude des zweiten Signals ansteigt. Die resultierenden Amplituden werden aus den jeweiligen Amplituden der Signale erzeugt. Beispielsweise können die resultierenden Amplituden aus den quadratischen Mittelwerten der Amplituden der Signale gebildet werden. Ebenso kann zur Bildung der resultierenden Amplituden eine Pythagoreische Addition angewendet werden, bei der die Summe der Quadrate der Amplituden der Signale berechnet und daraus die Quadratwurzel gebildet wird.Mit Vorteil ist das Teilungselement einstückig aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, insbesondere aus Aluminium. Die Teilungsspuren können alternativ auch als Metallschichten auf einem dielektrischen Grundkörper, etwa einem Kunststoff- oder Keramikkörper, ausgestaltet sein.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den abhängigen Ansprüchen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemäßen induktiven Positionsmesseinrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren.
Figurenliste
Es zeigen die

1 eine perspektivische Ansicht einer Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung einer relativen Winkelposition gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine Draufsicht auf einen Teilbereich eines Abtastelements,
3 eine Teilschnittdarstellung der Positionsmesseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
4 eine Teilschnittdarstellung der Positionsmesseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
5 eine Teilschnittdarstellung der Positionsmesseinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
6 eine Teilschnittdarstellung der Positionsmesseinrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Positionsmesseinrichtung gemäß der 1 dient zur Erfassung einer Winkelposition zwischen einem Abtastelement 1 und einem Teilungselement 2a bzw. einer Skala. In der 1 sind das Abtastelement 1 und das Teilungselement 2a zum Zwecke der Erläuterung der Bauweise separat dargestellt. Im betriebsgemäßen Zustand liegen das Abtastelement 1 und das Teilungselement 2a mit radialem Luftspalt konzentrisch einander gegenüber.
Das Abtastelement 1 besteht aus einer ringförmig angeordneten flexiblen Leiterplatte, auf welcher zwei Erregerleitungen 1.4, 1.5 und zwei Empfängerspuren 1.1, 1.2 angeordnet sind. Sowohl die Erregerleitungen 1.4, 1.5 als auch die Empfängerspuren 1.1, 1.2 weisen eine Erstreckung entlang einer ersten Richtung x beziehungsweise entlang der Umfangsrichtung auf und zwar nahezu über den gesamten Umfang des Abtastelements 1. Die erste und die zweite Empfängerspur 1.1, 1.2 sind zudem zueinander in einem Abstand Z1 auf dem Abtastelement 1 aufgebracht. Der Abstand Z1 erstreckt sich entlang einer zweiten Richtung z, die axial orientiert ist und somit orthogonal zur ersten Richtung x also zur Umfangsrichtung verläuft.
Die Erregerleitungen 1.4, 1.5 und die Empfängerspuren 1.1, 1.2 sind als Leiterbahnen der als mehrlagig aufgebauten flexiblen Leiterplatte, die als Abtastelement 1 dient, ausgestaltet.
Zudem ist auf dem Abtastelement 1 eine elektronische Schaltung sowie ein Steckerelement angeordnet, welche in den Figuren nicht dargestellt sind. Das Abtastelement 1 ist in einem ringförmigen Gehäuse 11 montiert. Über ein Kabel 30 ist das Abtastelement 1 mit einer Folgeelektronik verbindbar.
In der 2 sind in einem Detailausschnitt die Empfängerspuren 1.1, 1.2 und die beiden Erregerleitungen 1.4, 1.5 gezeigt. Die erste und die zweite Empfängerspur 1.1, 1.2 weisen jeweils ein Paar Empfängerleiterbahnen 1.11, 1.12; 1.21, 1.22 auf.
Wie aus der 2 ersichtlich, ist also sowohl neben der ersten als auch neben der zweiten Empfängerspur 1.1, 1.2 in der zweiten Richtung z jeweils zu beiden Seiten eine Erregerleitung 1.4, 1.5 angeordnet. Mit anderen Worten ausgedrückt, liegen in der zweiten Richtung z, die orthogonal zur ersten Richtung x orientiert ist, zwei Erregerleitungen 1.4, 1.5 zwischen der ersten und der zweiten Empfängerspur 1.1, 1.2.
Im vorgestellten Ausführungsbeispiel ist das Teilungselement 2a einstückig aus Aluminium als ein Ring ausgestaltet, an dessen Mantelseite sich zwei Teilungsspuren 2.1a, 2.2a mit axialem Abstand befinden. Die erste Teilungsspur 2.1a umfasst erste Stege 2.11a und dazwischen liegende erste Nuten 2.12a. Die zweite Teilungsspur 2.2a umfasst zweite Stege 2.21a, zwischen denen zweite Nuten 2.22a liegen. Die erste Teilungsspur 2.1a weist zweiunddreißig derartige erste Stege 2.11a auf, während die zweite Teilungsspur2.2a nur einunddreißig zweite Stege 2.21a umfasst. Beispielsgemäß befindet sich eine umlaufende Rille 2.4 zwischen den ersten und den zweiten Stegen 2.1 1a, 2.21a. Die beiden Teilungsspuren 2.1a, 2.2a bestehen demnach jeweils aus einer periodischen Abfolge von alternierend angeordneten Stegen 2.11a, 2.21a und Nuten 2.12a, 2.22a.
Die erste Teilungsperiode P2.1 der ersten Teilungsspur 2.1a ergibt sich gemäß der 2 aus der Summe der Länge T1 eines der ersten Stege 2.11 a und der Länge G1 einer der ersten Nuten 2.12a, wobei sich die Längen T1, G1 in der ersten Richtung x beziehungsweise in der Umfangsrichtung erstrecken. Gleichermaßen stellt die zweite Teilungsperiode P2.2 die Summe der Länge T2 eines der zweiten Stege 2.21a und der Länge G2 einer der zweiten Nuten 2.22a aus der zweiten Teilungsspur 2.2a dar. Die beiden Teilungsspuren 2.1a, 2.2a sind so dimensioniert, dass folgender Zusammenhang gilt: T1/G1 ≈ T2/G2 (siehe 2).
Die Teilungsspuren 2.1a, 2.2a weisen insbesondere entlang einer ersten Richtung x, hier in Umfangsrichtung, unterschiedliche Teilungsperioden P2.1, P2.2 (2) auf, nämlich:

P2.1 = Umfang/32 und
P2.2 = Umfang/31.

Demgemäß wird das Verhältnis der Teilungsperiode P2.1 der ersten Teilungsspur 2.1a zur Teilungsperiode P2.2 der zweiten Teilungsspur 2.2a folgendermaßen gebildet: $P2 .1:P2 .2 = (Umfang/32) : (Umfang/31) = 31 / 32 \approx 0,969.$
Im betriebsgemäßen Zustand der Positionsmesseinrichtung liegt das Teilungselement 2a radial innerhalb des Abtastelements 1, ohne dass sich das Teilungselement 2a und das Abtastelement 1 berühren. Üblicherweise dient das Teilungselement 2a als Rotor und wird an einem um eine Achse A drehbaren Maschinenteil befestigt. Dagegen bildet dann das Abtastelement 1 den Stator der Positionsmesseinrichtung, so dass dieses an einem stehenden Maschinenteil fixiert wird. Die 3 stellt eine Schnittdarstellung der Positionsmesseinrichtung durch das Abtastelement 1 und durch das Teilungselement 2a dar, insbesondere durch eine der ersten Nuten 2.12a und einen der zweiten Nuten 2.22a in einem Bereich, wo diese axial fluchten. Gemäß den 1 und 3 sind die ersten Stege 2.11a abgeschrägt gestaltet, so dass sich die Höhe der ersten Stege 2.11a beziehungsweise der radiale Abstand zwischen dem Plateau E1a der ersten Stege 2.11a und der ersten Empfängerspur 1.1 entlang der zweiten Richtung z ändert. Die gleiche Betrachtung gilt für die zweiten Stege 2.21a, die jeweils ein Plateau E2a aufweisen sowie für die zugehörige zweite Empfängerspur 1.2. Unter dem Begriff Plateau ist im Folgenden diejenige Fläche des Teilungselementes 2a zu verstehen, die radial außen die Stege begrenzt. Im vorgestellten Ausführungsbeispiel nimmt die Höhe der ersten Stege 2.11a und die Höhe der zweiten Stege 2.21a entlang der axialen Richtung jeweils zum Rand des Teilungselements 2a hin ab. Es gilt somit, dass die erste Empfängerspur 1.1, durch einen ersten Luftspalt L1a getrennt, der ersten Teilungsspur 2.1a gegenüber liegt und die zweite Empfängerspur 1.2 der zweiten Teilungsspur 2.2a durch einen zweiten Luftspalt L2a getrennt gegenüber liegt. Zudem weisen der erste Luftspalt L1a und der zweite Luftspalt L2a eine erste Ausdehnung D1a(z) und eine zweite Ausdehnung D2a(z) auf, die entlang der zweiten Richtung z jeweils unterschiedlich groß ist. Somit weisen die Luftspalte L1a, L2a zwischen den Empfängerspuren 1.1, 1.2 und den Stegen 2.11a, 2.21a Ausdehnungen D1a(z), D2a(z) auf, die abhängig von der z-Position entlang der zweiten Richtung z jeweils unterschiedlich groß sind.
Dagegen bleibt im ersten Ausführungsbeispiel der radiale Abstand zwischen den ersten Nuten 2.12a beziehungsweise zwischen dem Grund F1a der ersten Nuten 2.12a und der ersten Empfängerspur 1.1 entlang der zweiten Richtung z konstant. Ebenso verläuft beim Teilungselement 2a jeweils der Grund F2a der zweiten Nuten 2.22a mit konstantem radialem Abstand zur zweiten Empfängerspur 1.2.
Bei einer Relativdrehung zwischen Teilungselement 2a und Abtastelement 1 um die Achse A werden in den Empfängerleitungen 1.11, 1.12 der ersten Empfängerspur 1.1 erste Signale durch Induktionseffekte erzeugt, die jeweils eine Information über die Position in der ersten Richtung x, also hier die Winkelstellung, beinhalten und einen Phasenversatz von 90° aufweisen. Ebenso werden in den Empfängerleitungen 1.21, 1.22 der zweiten Empfängerspur 1.2 zweite Signale erzeugt, die um 90° phasenversetzt sind und auch die Information der Winkelstellung beinhalten. Durch den Phasenversatz kann in bekannter Weise die Drehrichtung des Teilungselements 2a bestimmt werden.
Jede der Empfängerspuren 1.1, 1.2 zur Bestimmung der Winkelstellung, wird von einer eigenen Erregerleitung 1.4, 1.5 umgeben. Voraussetzung für die Bildung von entsprechenden Signalen ist, dass die Erregerleitungen 1.4, 1.5 ein zeitlich wechselndes elektromagnetisches Erregerfeld im Bereich der Empfängerspuren 1.1, 1.2 bzw. im Bereich der damit abgetasteten Teilungsspuren 2.1a, 2.2a erzeugen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Erregerleitungen 1.4, 1.5 als mehrere parallele, Strom-durchflossene Einzel-Leiterbahnen ausgebildet. Werden die Erregerleitungen 1.4, 1.5 bestromt, so bildet sich um die jeweilige Erregerleitung 1.4, 1.5 ein schlauch- bzw. zylinderförmig orientiertes elektromagnetisches Feld aus. Die Feldlinien des resultierenden elektromagnetischen Feldes verlaufen in Form konzentrischer Kreise um die Erregerleitungen 1.4, 1.5, wobei die Richtung der Feldlinien in bekannter Art und Weise von der Stromrichtung in den Erregerleitungen 1.4, 1.5 abhängt. Im Bereich der Teilungsspuren 2.1a; 2.2a werden Wirbelströme induziert, so dass eine von der Winkelstellung abhängige Modulation des Feldes erreicht wird.
Die erste und die zweite Empfängerspur 1.1, 1.2 erstrecken sich nahezu um beziehungsweise über den gesamten Umfang des Abtastelements 1 also um fast 360° um die Achse A. Durch diese Bauweise kann auch bei vergleichsweise großen Anbautoleranzen eine genaue Bestimmung der Winkellage erreicht werden.
Dadurch, dass die zwei Teilungsspuren 2.1a, 2.2a geringfügig unterschiedliche Teilungsperioden P2.1, P2.2 aufweisen, kann aus den Signalen der Empfängerspuren 1.1, 1.2 unter Nutzung des Schwebungs- bzw. Noniusprinzips die absolute Winkelstellung des Teilungselements 2a in Bezug auf das Abtastelement 1 bestimmt werden.
Durch die Positionsmesseinrichtung kann aber auch entlang der zweiten Richtung z eine relative Verschiebung zwischen dem Abtastelement 1 und dem Teilungselement 2a bestimmt werden. In diesem Zusammenhang werden für erste Signale S1.11, S1.12, die von den Empfängerleitungen 1.11, 1.12 der ersten Empfängerspur 1.1 erzeugt werden, eine erste resultierende Amplitude A1.1 z. B. gemäß einer Pythagoreische Addition nach folgender Formel berechnet: $A1 .1 = {[{(S1 .11)}^{2} + {(S1 .12)}^{2}]}^{0,5}$
Gleichermaßen kann eine zweite resultierende Amplitude A1.2 für zweite Signale S1.21, S1.22, die von den Empfängerleitungen 1.21, 1.22 der zweiten Empfängerspur 1.2 erzeugt werden, bestimmt werden: $A1 .2 = {[{(S1 .21)}^{2} + {(S1 .22)}^{2}]}^{0,5}$
Die Amplituden der Signale S1.11, S1.12, S1.21, S1.22 sind mit den Ausdehnungen D1a(z), D2a(z) der Luftspalte L1a, L2a gekoppelt und nehmen mit größer werdenden Ausdehnungen D1a(z), D2a(z) der Luftspalte L1a, L2a ab. Wenn nun das Teilungselement 2a in der 3 in der zweiten Richtung z nach links relativ zum Abtastelement 1 verschoben wird, steigt die erste resultierende Amplitude A1.1 der ersten Signale S1.11, S1.12 an, während gleichzeitig die zweite resultierende Amplitude A1.2 der zweiten Signale S1.21, S1.22 abnimmt. Bei einer relativen Bewegung in der zweiten Richtung z nach rechts nimmt gegenläufig die erste resultierende Amplitude A1.1 der ersten Signale S1.11, S1.12 ab und die zweite resultierende Amplitude A1.2 der zweiten Signale S1.21, S1.22 nimmt zu.
Aus der Differenz zwischen der ersten resultierenden Amplitude A1.1 und der zweiten resultierenden Amplitude A1.2 kann die Position beziehungsweise die relative Verschiebung Posz entlang der zweiten Richtung z bestimmt werden: $Posz = A1 .1 - A1 .2$
Die Bestimmung der relativen Verschiebung kann fehlerunanfälliger durchgeführt werden, wenn man die ermittelte Differenz auf die Summe der resultierenden Amplituden A1.1, A1.2 normiert: $PoszN = Posz/ (A1 .1 + A1 .2)$
In der 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem das Teilungselement 2b abgewandelt ausgestaltet ist. Das Teilungselement 2b weist auch hier eine erste Teilungsspur 2.1b mit ersten Stegen 2.11b und eine zweite Teilungsspur 2.2b mit zweiten Stegen 2.21b auf. Diese sind jeweils abgeschrägt gestaltet, so dass sich der radiale Abstand zwischen dem Plateau E1b der ersten Stege 2.11b und der ersten Empfängerspur 1.1 sowie zwischen dem Plateau E2b der zweiten Stege 2.21b und der zweiten Empfängerspur 1.2 entlang der zweiten Richtung z ändert. Die (radialen) Höhen der ersten Stege 2.11b und die (radialen) Höhen der zweiten Stege 2.21b nehmen jeweils zum Rand des Teilungselements 2b hin ab. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist die Abnahme der Höhe der ersten Stege 2.11b in der ersten Teilungsspur 2.1b, welche die kleinere Teilungsperiode P1.1 aufweist, geringer als die Abnahme der Höhe der zweiten Stege 2.21b in der zweiten Teilungsspur 2.2b. Entsprechend nimmt die erste Ausdehnung D1b(z) des ersten Luftspalts L1b zum Rand des Teilungselements 2b weniger stark zu als die zweite Ausdehnung D2b(z) des zweiten Luftspalts L2b. Mit anderen Worten ist im zweiten Ausführungsbeispiel das Teilungselement 2b so ausgestaltet, dass entlang der zweiten Richtung z die Änderung der ersten Ausdehnung D1b(z) kleiner ist als die Änderung der zweiten Ausdehnung D2b(z). Auf diese Weise kann die Änderung der ersten Amplitude A1.1 bei einer Verlagerung des Teilungselements 2b in der 4 reduziert werden, was zu einer hohen Messgenauigkeit der Winkelstellung beiträgt.
In der 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel gezeigt, dort ist das Teilungselement 2c so ausgestaltet, dass die ersten Stege 2.11c der ersten Teilungsspur 2.1c und die zweiten Stege 2.21c der zweiten Teilungsspur 2.2c entlang der zweiten Richtung z zur Mitte des Teilungselements 2c hin abgeschrägt sind. Folglich ändert sich auch in diesem Ausführungsbeispiel entlang der zweiten Richtung z der radiale Abstand zwischen dem Plateau E1c der ersten Stege 2.11c und der ersten Empfängerspur 1.1 sowie zwischen dem Plateau E2c der zweiten Stege 2.21c und der zweiten Empfängerspur 1.2. Entsprechend nimmt die erste Ausdehnung D1c(z) des ersten Luftspalts L1c zum Rand des Teilungselements 2b ab wie auch die zweite Ausdehnung D2b(z) des zweiten Luftspalts L2c.
Im vierten Ausführungsbeispiel gemäß der 6 ist das Teilungselement 2d so ausgestaltet, dass die ersten Stege 2.11d der ersten Teilungsspur 2.1d und die zweiten Stege 2.21d der zweiten Teilungsspur 2.2d jeweils ein Plateau E1d, E2d aufweisen, das entlang der zweiten Richtung z parallel zur ersten Empfängerspur 1.1 beziehungsweise zur zweiten Empfängerspur 1.2 verläuft. Im vierten Ausführungsbeispiel ändert sich jedoch der radiale Abstand zwischen dem ersten Grund F1d der ersten Nut 2.12d und der ersten Empfängerspur 1.1 entlang der zweiten Richtung z. Ebenso ändert sich der radiale Abstand zwischen dem zweiten Grund F2d der zweiten Nut 2.22d und der zweiten Empfängerspur 1.2. Entsprechend nimmt die erste Ausdehnung H1d(z) des ersten Luftspalts L1d zum Rand des Teilungselements 2c zu, ebenso wie die zweite Ausdehnung D2d(z) des zweiten Luftspalts L2d. Die maßgeblichen Abstände für die Ausprägung der Amplituden sind also hier die Luftspalte L1d, L2d im Bereich der Nuten 2.12d, 2.22d.
In den vorgestellten Ausführungsbeispielen ändert sich die jeweilige Ausdehnung D1a(z); D1b(z); D1c(z); H1d(z); D2a(z); D2b(z); D2c(z); H2d(z) der Luftspalte L1a; L1b; L1c; L1d L2a; L2b; L2c; L2d linear entlang der zweiten Richtung z. Diese Ausgestaltung hat Vorteile im Hinblick auf eine einfache Fertigung der Teilungselemente 2a; 2b; 2c; 2d. Zur Optimierung der Empfindlichkeit der Positionsmesseinrichtung können die Teilungselemente 2a; 2b; 2c; 2d aber auch so ausgestaltet sein, dass eine nicht-lineare Änderung der Ausdehnung D1a(z); D1b(z); D1c(z); H1d(z); D2a(z); D2b(z); D2c(z); H2d(z) entlang der zweiten Richtung z vorliegt. Insbesondere kann die jeweilige Ausdehnung D1a(z); D1b(z); D1c(z); H1d(z); D2a(z); D2b(z); D2c(z); H2d(z) der Luftspalte L1a; L1b; L1c; L1d L2a; L2b; L2c; L2d entlang der zweiten Richtung z progressiv zunehmen.
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

DE 102012223037 A1 [0004]

Claims

Induktive Positionsmesseinrichtung, die ein Abtastelement (1) und ein Teilungselement (2a; 2b; 2c; 2d) aufweist, welche relativ zueinander in einer ersten Richtung (x) bewegbar sind, wobei - das Abtastelement (1) Erregerleitungen (1.4, 1.5) sowie eine erste Empfängerspur (1.1) und eine zweite Empfängerspur (1.2) umfasst, die in einer zweiten Richtung (z), welche sich orthogonal zur ersten Richtung (x) erstreckt, versetzt angeordnet sind, wobei - das Teilungselement (2a; 2b; 2c; 2d) - eine erste Teilungsspur (2.1a; 2.1b; 2.1c; 2.1d) aufweist, die erste Stege (2.11a; 2.11b; 2.11c; 2.11d) und erste Nuten (2.12a; 2.12d) umfasst, und - eine zweite Teilungsspur (2.2a; 2.2b; 2.2c; 2.2d) aufweist, die zweite Stege (2.21a; 2.21b; 2.21c; 2.21d) und zweite Nuten (2.22a; 2.22d) umfasst, wobei die Teilungsspuren (2.1a, 2.2a; 2.1b, 2.2b; 2.1c, 2.2c; 2.1d, 2.2d) in der zweiten Richtung (z) versetzt zueinander angeordnet sind, wobei die erste Empfängerspur (1.1) und die erste Teilungsspur (2.1a; 2.1b; 2.1c; 2.1d) so einander gegenüber liegend angeordnet sind, dass sich zwischen diesen ein erster Luftspalt (L1a; L1b; L1c; L1d) befindet, die zweite Empfängerspur (1.2) und die zweite Teilungsspur (2.2a; 2.2b; 2.2c; 2.2d) so einander gegenüber liegend angeordnet sind, dass sich zwischen diesen ein zweiter Luftspalt (L2a; L2b; L2c; L2d) befindet, so dass von den Erregerleitungen (1.4, 1.5) erzeugte elektromagnetische Felder durch das Teilungselement (2a; 2b; 2c; 2d) modulierbar sind und zumindest der zweite Luftspalt (L2a; L2b; L2c; L2d) zwischen der zweiten Empfängerspur (1.2) und a) den zweiten Stegen (2.21a; 2.21b; 2.21c; 2.21d) und / oder b) den zweiten Nuten (2.22a; 2.22d) eine zweite Ausdehnung (D2a(z); D2b(z); D2c(z); H2d(z)) aufweist, die entlang der zweiten Richtung (z) unterschiedlich groß ist, so dass eine relative Verschiebung entlang der zweiten Richtung (z) zwischen dem Abtastelement (1) und dem Teilungselement (2a; 2b; 2c; 2d) bestimmbar ist.
Induktive Positionsmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 1, wobei die Teilungsspuren (2.1a, 2.2a; 2.1b, 2.2b; 2.1c, 2.2c; 2.1d, 2.2d) jeweils entlang der ersten Richtung (x) unterschiedliche Teilungsperioden (P2.1, P2.2) aufweisen und die Teilungsperiode (P2.2) der zweiten Teilungsspur (2.2a; 2.2b; 2.2c; 2.2d) größer ist als die Teilungsperiode (P2.1) der ersten Teilungsspur (2.1a; 2.1b; 2.1c; 2.1d).
Induktive Positionsmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Luftspalt (L1a; L1b; L1c; L1d) zwischen der ersten Empfängerspur (1.1) und c) den ersten Stegen (2.11a; 2.11b; 2.11c; 2.11d) und/oder d) den ersten Nuten (2.12a; 2.12d) eine erste Ausdehnung (D1a(z); D1b(z); D1c(z); H1d(z)) aufweist, die entlang der zweiten Richtung (z) unterschiedlich groß ist.
Induktive Positionsmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 2 und 3, wobei das Teilungselement (2b) so ausgestaltet ist, dass entlang der zweiten Richtung (z) die Änderung der ersten Ausdehnung (D1b(z)) kleiner ist als die Änderung der zweiten Ausdehnung (D2b(z).
Induktive Positionsmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Abstand zwischen dem Plateau (E1a; E1b; E1c) der ersten Stege (2.11a; 2.11b; 2.11c) und der ersten Empfängerspur (1.1) entlang der zweiten Richtung (z) ändert.
Induktive Positionsmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Abstand zwischen dem Grund (F1d) der ersten Nuten (2.12d) und der ersten Empfängerspur (1.1) entlang der zweiten Richtung (z) ändert.
Induktive Positionsmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Empfängerspuren (1.1, 1.2) zwei Empfängerleitungen (1.11, 1.12, 1.21; 1.22) aufweist, wobei in den Empfängerleitungen (1.11, 1.12) der ersten Empfängerspur (1.1) erste Signale (S1.11, S1.12) erzeugbar sind und in den Empfängerleitungen (1.21, 1.22) der zweiten Empfängerspur (1.2) zweite Signale (S1.21, S1.22) erzeugbar sind, wobei eine erste resultierende Amplitude (A1.1) der beiden ersten Signale (S1.11, S1.12) und eine zweite resultierende Amplitude der beiden zweiten Signale (S1.21, S1.22) bestimmbar sind und auf Basis der Differenz zwischen der ersten resultierenden Amplitude (A1.1) und der zweiten resultierenden Amplitude (A1.2) die relative Verschiebung (Posz, PoszN) entlang der zweiten Richtung (z) bestimmbar ist.
Induktive Positionsmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 7, wobei bei zunehmender relativer Verschiebung entlang der zweiten Richtung (z) die erste resultierende Amplitude (A1.1) des ersten Signals (S1.11, S1.12) ansteigt, während die zweite resultierende Amplitude (A1.2) des zweiten Signals (S1.21, S1.22) abnimmt.
Induktive Positionsmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 7, wobei bei zunehmender relativer Verschiebung entlang der zweiten Richtung (z) die erste resultierende Amplitude (A1.1) des ersten Signals (S1.11, S1.12) abnimmt, während die zweite resultierende Amplitude (A1.2) des zweiten Signals (S1.21, S1.22) ansteigt.
Induktive Positionsmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Teilungselement (2a; 2b; 2c; 2d) einstückig aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt ist, insbesondere aus Aluminium.