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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Absolutpositionswandler des elektromagnetisch induktiven Typs, in dem eine Änderung der Signalstärke in Abhängigkeit von Positionen auf einem Maßstab gering ist. Genauer gesagt, die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandler mit einem Maßstab mit mehreren Skalenschleifen, die als Spulen dienen, wobei jede Skalenschleife einen Satz Schleifenbereiche mit zumindest zwei Schleifenbereichen aufweist, die entlang einer Messachse unter unterschiedlichen Wellenlängenintervallen angeordnet sind, um mehrere entlang der Messachse unter unterschiedlichen Wellenlängen angeordnete Bahnen zu bilden, und mit einem Anschlussmusterbereich, der die beiden entsprechenden Schleifenbereiche miteinander verbindet. Der elektromagnetisch induktive Absolutpositionswandler ist vorteilhaft in einer elektronischen Schieblehre, einer elektronischen Mikrometerschraube, einem Anzeigeinstrument, einem linearen Maßstab, einem Linearmessgerät und dergleichen verwendbar.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Der Anmelder dieser Erfindung hat in der
japanischen ungeprüften Patentoffenlegungsschrift 2000-180209 (eingereicht auf der Grundlage der US-Patentanmeldung 09/213,268) einen elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandler mit N (N ≥ 2) Bahnen mit unterschiedlicher Wellenlänge vorgeschlagen. Wie in
10 gezeigt ist, besitzt der vorgeschlagene Wandler einen Maßstab
10 und einen Lesekopf
20, die relativ zueinander entlang einer Messachse X bewegbar sind. Der Lesekopf
20 umfasst zumindest einen magnetischen Flusssensor (Aufnahmespulen
22 und
24). Der Maßstab
10 weist mehrere geschlossene Kopplungsschleifen (im weiteren Maßstabsschleifen) auf, die sich entlang der Messachse erstrecken. Die Maßstabsschleifen fungieren als Spulen. Jede der Maßstabsschleifen umfasst einen ersten Schleifenbereich
12, einen zweiten Schleifenbereich
14 und einen Anschlussmusterbereich
16, der den ersten und den zweiten Schleifenbereich miteinander verbindet. Die ersten Schleifenbereiche
12 sind in Abständen entlang der Messachse angeordnet, die einer ersten Wellenlänge λ1 entsprechen. Die zweiten Schleifenbereiche
14 sind in Abständen angeordnet, die einer zweiten Wellenlänge λ2, die sich von der ersten Wellenlänge λ1 unterscheidet, entsprechen.
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In 10 gibt eine Ansteuerschaltung 30 selektiv ein zeitlich veränderliches Ansteuersignal an eine erste Übertragungsspule 26 oder an eine zweite Übertragungsspule 28 aus. Eine Verstärkerschaltung 32 verstärkt Signale aus den Aufnahmespulen 22 und 24. Ein Berechnungselement 34 nimmt eine A/D-Wandlung an einem Ausgangssignal der Verstärkerschaltung 32 vor und berechnet eine absolute Position aus dem Phasenunterschied zwischen den Bahnen.
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In 10 sind die ersten Schleifenbereiche 12 auf einer Seite der zweiten Schleifenbereiche 14 angeordnet. Die ersten Schleifenbereiche 12 können abwechselnd an beiden Seiten der zweiten Schleifenbereiche 14 angeordnet sein, wie dies in 11 dargestellt ist.
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12 zeigt vergrößert 0-te und n-te erste Schleifenbereiche 12 und die zweiten Schleifenbereiche 14 in den Maßstabsschleifen aus 10 im verbundenen Zustand. 13 zeigt die Änderung der Signalgröße mit Bezug zur Länge der Maßstabsschleife (im weiteren als Maßstabslänge bezeichnet). Wie in den 12 und 13 gezeigt ist, ist in dem Absolutpositionswandler des elektromagnetisch induktiven Typs nach dem Stand der Technik der Anschlussmusterbereich 16, der die Schleifenbereiche (den ersten Schleifenbereich 12 und den zweiten Schleifenbereich 14) jeder Maßstabsschleife in dem Maßstab 10 verbindet, länger wenn die Skalenlänge größer ist. Wenn daher die Musterbreiten der Maßstabsschleifen (Musterbreiten A der ersten und zweiten Schleifenbereiche, und Musterbreite B der Anschlussmuster 16) entlang der Messachse konstant gehalten werden, wie in 12 gezeigt ist, wird ein Ausgangssignal des Lesekopfs 20 in der Größe bzw. Stärke reduziert, wie dies durch die durchgezogene Linie A in 14 angedeutet ist, wenn die Skalenlänge größer wird. Das heißt, das Ausgangssignal des Lesekopfes wird in seiner Größe verringert, wenn sich der Lesekopf von der Position der Skalenschleife mit der kürzesten Länge des Anschlussmusterbereichs (im weiteren als 0-te Skalenschleife bezeichnet) wegbewegt. Hierbei wird das Maßstabsmuster der 0-ten Maßstabsschleife als kürzestes Anschlussmuster bezeichnet.
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Wenn die Signalgröße sich in Abhängigkeit von der Maßstabsposition ändert, wie dies zuvor beschrieben ist, ist der Einstellbereich der Lücke zwischen dem Maßstab und dem Lesekopf unvermeidlich zu verengen, um eine ausreichende Signalgröße sicherzustellen, selbst wenn die Signalgröße verringert ist. Daher muss die Genauigkeit der Komponenten und des Montageprozesses verbessert werden. Wie vom Anmelder der Erfindung in der US-Patentanmeldung 09/804,300 vorgeschlagen, kann die Nachweisempfindlichkeit nicht hoch eingestellt werden, im Falle dass eine fehlerhafte Funktion beispielsweise wegen dem Lesekopf oder aufgrund einer Unterbrechung des Maßstabs basierend auf der Signalgröße detektiert wird.
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Die
DE 10049368 A1 betrifft einen Positionswandler mit positionsabhängiger Amplitudenkodierung. Dieses Dokument offenbart eine erste und zweite Vielzahl von Kopplungsschleifen, wobei jede der ersten und zweiten Vielzahl von Kopplungsschleifen einen ersten Schleifenbereich und einen zweiten Schleifenbereich einschließt. Die ersten Schleifenbereiche haben alle dieselbe Größe. Die zweiten Schleifenbereiche ändern fortschreitend ihre interne Fläche in einer Richtung über die Länge der Skala.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Die Erfindung wurde erdacht, um die Probleme des Stands der Technik zu lösen. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandler bereitzustellen, in dem eine Ausgangssignaländerung in Abhängigkeit von Positionen auf dem Maßstab gering ist.
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Um die oben genannte Aufgabe der Erfindung zu erfüllen, wird ein elektromagnetisch induktiver Absolutpositionswandler bereitgestellt mit einem Maßstab mit mehreren Maßstabsschleifen, die als Spulen dienen, wobei die Maßstabsschleife einen zwei Schleifenbereiche umfassenden Satz von Schleifenbereichen aufweist, die entlang einer Messachse unter unterschiedlichen Wellenlängenabständen angeordnet sind, um mehrere Bahnen, die entlang der Messachse unter unterschiedlichen Wellenlängen angeordnet sind, zu bilden, und wobei die Maßstabsschleife einen Anschlussmusterbereich aufweist, der zwei entsprechende Schleifenbereiche miteinander verbindet.
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In dem elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandler ändert sich zumindest ein Teil der Musterbreiten, die die Maßstabsschleifen bilden, in Übereinstimmung mit der Länge des Anschlussmusterbereichs (im weiteren als Anschlussmusterlänge bezeichnet). Mit einer derartigen Anordnung wird verhindert, dass eine Änderung der Signalgröße aufgrund einer Änderung der Anschlussmusterlänge auftritt.
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In dem oben genannten elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandler ist bevorzugt, dass mindestens ein Teil der Musterbreiten graduell anwachsend sein kann, wenn die Anschlussmusterlänge mit Bezug zu einem kürzesten Anschlussmuster länger wird.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Positionsmessgerät bereitgestellt, in dem der oben genannte elektromagnetisch induktive Absolutpositionswandler verwendet ist.
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In dem elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandler und dem Positionsmessgerät, das den erfindungsgemäßen Wandler verwendet, ist im Maßstabsmuster, wo die Schleifenbereiche unter konstanten Abständen (im Stand der Technik sind die ersten Schleifenbereiche unter dem Abstand λ1 und die zweiten Schleifenbereiche mit dem Abstand λ2 angeordnet) angeordnet sind, zumindest ein Teil der Musterbreite, die die Maßstabsschleife bildet, abhängig von der Anschlussmusterlänge, ohne dass die Abstände und die Schleifenmittelpunktabstände der ersten und zweiten Schleifenbereiche geändert sind. Beispielsweise ist zumindest ein Teil der Musterbreiten schrittweise (graduell) ansteigend, in dem Maße, wie sich die Anschlussmusterlänge mit Bezug zu dem kürzesten Anschlussmuster (in diesem Beispiel die 0-te Skalenschleife: wird auch als eine Maßstabsspule bezeichnet) größer wird. Gemäß dieser Ausbildung kann das Maß der Abschwächung der Signalstärke aufgrund des Anwachsens der Maßstabslänge in der Art, wie dies durch die durchgezogene Linie A in 14 gekennzeichnet ist, durch Vergrößern des Stromflusses durch die Maßstabsschleife kompensiert werden. Damit kann verhindert werden, dass eine Abschwächung der Signalstärke in Abhängigkeit eines Anwachsens der Anschlussmusterlänge auftritt, wobei die Größe bzw. Stärke des Ausgangssignals des Lesekopfes konstant gehalten werden kann, wie dies durch die durchgezogene Linie B in 14 gezeigt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Draufsicht, die ein Maßstabsmuster eines elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandlers gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
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2 ist eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Bereichs der Maßstabsschleifen aus 1;
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3 ist ein Graph, der ein Beispiel der sich ändernden Musterbreite in Abhängigkeit von der Maßstabsposition in der ersten Ausführungsform zeigt;
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4A ist eine vergrößerte Draufsicht, die ein Maßstabsmuster eines elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandlers gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
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4B ist eine vergrößerte Draufsicht, die ein weiteres Beispiel eines Maßstabsmusters des elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandlers gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
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5 ist eine vergrößerte Draufsicht, die ein Maßstabsmuster eines elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandlers gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
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6 ist eine vergrößerte Draufsicht, die ein Maßstabsmuster eines elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandlers entsprechend einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
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7 ist eine vergrößerte Draufsicht, die ein Maßstabsmuster eines elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandlers gemäß einer fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
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8 ist ein Graph, der ein Beispiel der Abhängigkeit der Lücke zwischen dem Lesekopf und dem Maßstab und der Signalstärke zeigt;
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9 ist eine Draufsicht, die eine weitere Ausführungsform des Maßstabsmusters eines elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandlers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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10 ist eine Draufsicht, die die Ausgestaltung des elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandlers nach dem Stand der Technik zeigt;
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11 ist eine Draufsicht, die ein modifiziertes Maßstabsmuster aus 10 zeigt;
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12 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht einer Maßstabsschleife aus 10;
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13 ist ein Graph, der die Änderung der Signalstärke mit Bezug zur Maßstabsschleifenlänge im Stand der Technik zeigt; und
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14 ist ein Graph, der den sich ändernden Zustand einer Signalstärke in Abhängigkeit von der Maßstabsposition im Stand der Technik und in der vorliegenden Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden werden erfindungsgemäße Ausführungsformen detailliert mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine Draufsicht, die ein Maßstabsmuster eines elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine vergrößerte Ansicht, die 0-te und n-te Skalenmuster vergrößert zeigt. Der elektromagnetisch induktive Absolutpositionswandler gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt den gleichen Aufbau wie der Wandler nach dem Stand der Technik, der in 10 oder 11 gezeigt ist, mit Ausnahme der Musterbreite der Maßstabsschleife. Im Wandler gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, in den 1 und 2 gezeigt, sind die Musterbreiten des ersten Schleifenbereichs 12 und des zweiten Schleifenbereichs 14 der Reihe nach um αn mit Bezug zu der 0-ten Maßstabsschleife, die das kürzeste Anschlussmuster ist, vergrößert, so dass die Musterbreite der n-ten Maßstabsschleife gleich A + αn ist. Hierbei sind die Musterbreiten des ersten Schleifenbereichs 12 und des zweiten Schleifenbereichs 14 an der 0-ten Maßstabsschleife gleich A und die Musterbreite des Anschlussmusterbereichs 16 an der 0-ten Maßstabsschleife ist gleich B. Das heißt, der durch die Maßstabsschleife fließende Strom wird durch Vergrößern der Musterbreiten der Maßstabsschleifen vergrößert, wenn die Maßstabslänge größer wird. Indem dies auf diese Weise durchgeführt wird, wird das Maß der Abschwächung der Signalstärke in Abhängigkeit von dem Anwachsen der Maßstabslänge, wie dies durch eine durchgezogene Linie A in 14 gezeigt ist, durch den Anstieg des in der Maßstabsschleife fließenden Stroms komplementiert bzw. kompensiert. Folglich wird verhindert, dass die Abschwächung der Signalstärke in Abhängigkeit des Anstiegs der Anschlussmusterlänge auftritt, und, wie durch eine durchgezogene Linie B in 14 gezeigt ist, die Größe des Ausgangssignals des Lesekopfes kann konstant gehalten werden.
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Ein Beispiel der Musterbreite A + αn in der ersten Ausführungsform ist in 3 gezeigt, in der die Musterbreite linear angenähert ist durch die Funktion f1(n) = A + αn.
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In der ersten Ausführungsform sind die Breiten des ersten Schleifenbereichs 12 und des zweiten Schleifenbereichs 14 anwachsend. Damit kann die Signalgröße durch einen relativ geringen Vergrößerungsbetrag der Musterbreite (oder durch einen relativ kleinen Wert αn) gewährleistet werden.
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4A zeigt einen elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandler gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform sind, wie in 4A gezeigt ist, lediglich die Breiten des ersten Schleifenbereichs 12 und des zweiten Schleifenbereichs 14 in der Richtung der Messachse X der Reihe nach durch Xn (> αn) vergrößert, so dass die Breite der n-ten Maßstabsschleife gleich A + Xn ist.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform kann die Signalgröße ohne Vergrößern der Musterbreiten in der Richtung senkrecht zur Messachse X bewahrt werden.
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Im Gegensatz dazu können, wie in 4B gezeigt ist, nur die Breiten des ersten Schleifenbereichs 12 und des zweiten Schleifenbereichs 14 in der Richtung senkrecht zu der Messachse X der Reihe nach um Xn (> αn) vergrößert sein, so dass die Breite der n-ten Maßstabsschleife gleich A + Xn ist. Mit einer derartigen Ausgestaltung kann die Signalgröße gewährleistet werden, ohne die Musterbreiten in der Richtung der Messachse X zu vergrößern.
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5 zeigt einen elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandler gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform sind, wie in 5 gezeigt ist, nur die Breiten des ersten Schleifenbereichs 12 der Reihe nach um βn (= f2(n) > αn) vergrößert, so dass die Breite der n-ten Maßstabsschleife gleich A + βn ist.
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Gemäß der dritten Ausführungsform kann die Signalgröße gewährleistet werden, ohne die Musterbreiten der zweiten Schleifenbereiche 14 und der Anschlussmusterbereiche 16 zu ändern.
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6 zeigt einen elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandler gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform sind, wie in 6 gezeigt ist, nur die Breiten der zweiten Schleifenbereiche 14 der Reihe nach um βn (= f2(n) > αn) vergrößert, so dass die Breite der n-ten Maßstabsschleife gleich A + βn beträgt.
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Gemäß der vierten Ausführungsform kann die Signalgröße bewahrt werden, ohne die Musterbreiten der ersten Schleifenbereiche 12 und der Anschlussmusterbereiche 16 zu ändern.
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7 zeigt einen elektromagnetisch induktiven Absolutpositionswandler gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform sind, wie in 7 gezeigt ist, die Breiten aller ersten Schleifenbereiche 12, der zweiten Schleifenbereiche 14 und der Anschlussmusterbereiche 16 der Reihe nach um γn (= f3(n) < αn) vergrößert, so dass die Musterbreiten des ersten Schleifenbereichs 12 und des zweiten Schleifenbereichs 14 gleich A + γn sind, und die Musterbreite des Anschlussmusterbereichs 16 der n-ten Maßstabsschleife B + γn beträgt.
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Gemäß der fünften Ausführungsform kann der Betrag zur Vergrößerung der Musterbreite minimiert werden.
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In allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind die Muster der Ausführungsformen unabhängig verwendet. Alternativ können die Muster der Ausführungsformen in Kombination entsprechend der Maßstabsposition verwendet sein. Beispielsweise kann ein Maßstabsmuster so gestaltet sein, dass die Musterbreite in Richtung der Messachse der zentralen Seitenschleifenbereiche der Reihe nach anwachsen, während die Musterbreiten in der Richtung senkrecht zu der Messachse von Schleifenbereichen an der äußeren Seite der Reihe nach anwachsen. 9 zeigt ein Maßstabsmuster, in dem die ersten Schleifenbereiche 12 abwechselnd an beiden Seiten der zweiten Schleifenbereiche 14 angeordnet sind. In einem derartigen Maßstabsmuster sind die Musterbreiten in Richtung senkrecht zu der Messachse der ersten Schleifenbereiche 12 (Außenseiteschleifenbereiche) der Reihe nach um Cn (> αn) vergrößert, so dass die Musterbreiten der n-ten Maßstabsschleife A + Cn beträgt. Die Musterbreiten in der Richtung der Messachse der zweiten Schleifenbereiche 14 (zentralen Schleifenbereiche) sind der Reihe nach um Cn (> αn) vergrößert, so dass die Musterbreiten der n-ten Maßstabsschleife A + Cn betragen. Mit einer derartigen Ausgestaltung kann verhindert werden, dass die Störung der benachbarten Spulen, die durch Vergrößern der Musterbreiten in Richtung senkrecht zu der Messachse der zentralen Schleifenbereiche hervorgerufen wird, entsteht. Ferner wird verhindert, dass die Außenseitenschleifenbereiche aus der Breite des Maßstabssubstrats herausragen, was durch Vergrößern der Musterbreiten in Richtung der Messachse der Außenseitenschleifenbereiche hervorgerufen wird.
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In allen Ausführungsformen kann die Signalgröße, die nur in einem zentralen Bereich im Stand der Technik erhalten wird, in allen Maßstabspositionen erhalten werden. Im Stand der Technik ist ferner der zulässige Bereich für die Lücke zwischen dem Lesekopf und dem Maßstab beschränkt, wie dies durch die Zone D in 8 gekennzeichnet ist, entsprechend zur Änderungsbreite C der Signalstärke, die sich in Abhängigkeit von der Maßstabsposition von der durchgezogenen Linie B (der zentrale Bereich) zu der durchgezogenen Linie A (den Endbereichen) ändert. Wenn im Gegensatz dazu die Erfindung angewendet wird, wird die Signalgröße so erhalten, wie dies durch die durchgezogene Linie B gekennzeichnet ist, unabhängig von der Maßstabsposition, und damit kann der zulässige Bereich der Lücke erweitert werden, wie dies durch die Zone E angezeigt ist.
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In allen Ausführungsformen beträgt die Anzahl der Bahnen gleich zwei und es ist eine Zweiphasen-Aufnahmespule ausgebildet. Die Anwendbarkeit der vorliegenden ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Erfindung kann ebenfalls auf einen Wandler mit drei oder mehr Bahnen oder einer Einphasen-Aufnahmespule angewendet werden.
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Die Erfindung kann auf die Gesamtheit von Positionsmessinstrumenten angewendet werden, die einen Absolutpositionswandler verwenden, der von der elektromagnetisch induktiven Art ist, und der Bahnen zweier oder mehr Wellenlängen aufweist, etwa wie in einer elektronischen Schiebelehre, einer elektronischen Mikrometerschraube, einem Indikator, einem linearen Maßstab und einem Linearmessgerät. Der Wandler kann auch einzeln verwendet werden.
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Erfindungsgemäß kann die gleiche Signalstärke wie im zentralen Bereich unabhängig von der Maßstabsposition erhalten werden, und damit kann der Einstellbereich für die Lücke erweitert werden, wie dies mit Bezug zu 8 beschrieben ist. Da die Signalstärke unabhängig von der Maßstabsposition konstant ist, kann die Verstärkungseinstellung (etwa automatische Verstärkungseinstellung) einer Verstärkerschaltung in einfacher Weise durchgeführt werden, so dass die Signalstärke in der Mitte des optimalen Bereichs für die Signalgröße liegt. Ferner kann die Genauigkeit stabil gehalten werden. Ferner kann im Falle, dass eine Fehlbedienung aufgrund beispielsweise des Lesekopfes oder einer Unterbrechung des Maßstabs auf der Grundlage der Signalstärke detektiert wird, wie dies vom Anmelder der Erfindung in der US-Patentanmeldung 09/804,300 vorgeschlagen wird, das Entscheidungskriterium enger als im Stand der Technik festgelegt werden. Daher kann selbst eine geringe Änderung der Genauigkeit präzise mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Änderungsbereich der Signalstärke in Abhängigkeit von der Maßstabsposition im Stand der Technik
- 1
- Bereich der optimalen Signalstärke
- 2
- Verhalten der Signalstärke nach Anwendung der Erfindung
- 3
- Lücke zwischen Lesekopf und Maßstab
- 4
- zulässiger Bereich für die Lücke gemäß der Erfindung
- 5
- zulässiger Bereich für die Lücke im Stand der Technik
- 6
- Signalstärke
- 30
- Ansteuerschaltung
- 34
- Berechnungselement
- 32
- Verstärkerschaltung
