DE19851124A1

DE19851124A1 - Meßvorrichtung zur absoluten Messung von Verschiebungen

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Publication number: DE19851124A1
Application number: DE1998151124
Authority: DE
Original assignee: Helios Mestechnik & Co KG GmbH
Current assignee: HELIOS MESSTECHNIK GMBH & CO. KG, 74676 NIEDERNHAL
Priority date: 1998-11-07
Filing date: 1998-11-07
Publication date: 2000-05-11

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Meßvorrichtung (1) zum absoluten Messen von Verschiebungen. Die Meßvorrichtung (1) weist einen Hauptmaßstab (2) mit einer Meßskala (3), einen relativ zu dem Hauptmaßstab (2) in dessen Längsrichtung bewegbaren Schieber (6), einen an dem Schieber (6) angebrachten und mit diesem bewegbaren Lesekopf (16) und eine mit dem Lesekopf (16) verbundene Auswerteschaltung (17) zum Ermitteln der absoluten Verschiebung des Schiebers (6) gegenüber dem Hauptmaßstab (2) auf. Um eine hohe Meßgenauigkeit ohne die Verwendung eines A/D-Wandelverfahrens zu erreichen, weist der Lesekopf (16) mehrere (n) Schreibleitungen (28) und mehrere (m) Leseleitungen (29) auf, wobei elektrische Impulse in den Schreibleitungen (28) in allen Leseleitungen (29) Impulse erzeugen, die von der momentanen Position des Schiebers (6) gegenüber der Meßskala (3) auf dem Hauptmaßstab (2) abhängen. Ferner sind die Leseleitungen (29) jeweils mit einer Schalteinrichtung (32) verbunden, die in Abhängigkeit von dem in der jeweiligen Leseleitung (29) erzeugten Impuls zwischen zwei Schaltzuständen (0, 1) schaltet. DOLLAR A Somit gehört zu einem Impuls auf jeder der (n) Schreibleitungen (28) ein Datenwort der Länge m. Schaltet man bei einer Position des Schiebers (6) alle (n) Schreibleitungen (28) durch, so gehört zu dieser Position des Schiebers (6) ein Datenwort der Länge n*m. Da die Impulse in den Leseleitungen (29) jeweils in den zugehörigen Schalteinrichtungen (32) einen von zwei möglichen ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zum absoluten Messen von Verschiebungen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Derartige Meßvorrichtungen sind grundsätzlich in zwei verschiedenen Arten bekannt, als Meßvorrichtungen mit Verschiebungssensoren vom Kapazitanztyp und als Meß vorrichtungen mit Verschiebungssensoren vom Induktivitätstyp. Beide Arten der Meß vorrichtungen weisen jeweils ein festes Element, wie zum Beispiel einen Hauptmaßstab, und ein bewegbares Element, wie zum Beispiel einen Schieber, der relativ zu dem festen Element in dessen Längsrichtung bewegbar ist, auf. Auf dem festen Element und dem bewegbaren Element sind, je nach Typ der Verschiebungssensoren, eine große Anzahl Elektroden oder Induktionsschleifen in vorbestimmten Mustern angeordnet. Wenn das bewegbare Element gegenüber dem festen Element bewegt wird, werden elektrische Signale oder Impulse, die zwischen den Mustern erzeugte, periodische Kapazitanz- bzw. Induktivitätsvariationen darstellen, erfaßt und aus diesen Signalen oder Impulsen die Verschiebung des bewegbaren Elements ermittelt.

Ferner lassen sich Meßvorrichtungen grundsätzlich in zwei Typen kategorisieren, in relative und absolute Meßvorrichtungen, die sich durch das Format der ausgegebenen Signale unterscheiden. In den Meßvorrichtungen vom relativen Typ treten aufgrund der Muster der Elektroden oder Induktionsschleifen periodische Signale auf, wenn das bewegbare Element sich von einer Referenzposition wegbewegt. Durch kontinuierliches Messen der periodischen Signale wird die Verschiebung von dieser Referenzposition gemessen. Demgegenüber wird in den Meßvorrichtungen vom absoluten Typ - wie sie auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind - die absolute Verschiebung, d. h. die Position des bewegbaren Elements gegenüber dem festen Element, erhalten, ohne daß eine kontinuierliche Zähloperation der periodischen Signale notwendig ist.

Aus dem Stand der Technik ist bereits eine große Anzahl an Meßvorrichtungen der ver schiedenen, oben genannten Typen bekannt.

So ist beispielsweise in der US-PS 4,586,260 eine kapazitive Schieblehre zur relativen Messung von Positionen beschrieben. Diese Schieblehre umfaßt einen Hauptmaßstab und einen Schieber, der gegenüber dem Hauptmaßstab in dessen Längsrichtung ver schiebbar ist und einen Lesekopf aufweist. Hauptmaßstab und Lesekopf des Schiebers weisen zueinander parallel gegenüberliegend angeordnete Oberflächen auf, die jeweils mit einem Muster leitfähiger Elemente versehen sind. Das Muster des Hauptmaßstabes besteht aus gleichmäßig voneinander beabstandeten Elektroden, die quer zur Ver schiebungsrichtung des Schiebers ausgerichtet und entlang des gesamten möglichen Verschiebungsweges des Schiebers vorgesehen sind. Auf der Oberfläche des Lesekopfes ist ein Paar Sensorelektroden und eine Anordnung von Sende-Elementen vorgesehen. In den Sende-Elementen erzeugte Impulse erzeugen in den Sensorelektroden des Lese kopfes wiederum Impulse, deren Amplituden von der relativen Position zwischen den Sensorelektroden und dem Elektrodenmuster des Hauptmaßstabes abhängen.

Weiter ist aus der EP-A2 0 743 508 ein Meßsystem nach dem Induktionsprinzip zur relativen Positionsbestimmung mit hoher Meßauflösung bekannt, welches un empfindlich gegen Verunreinigungen ist. Die Meßschaltung bzw. der Lesekopf am Schieber umfaßt eine Erregerspule und zumindest eine Sensorspule, wobei die in der Sensorspule induzierte Spannung von einem periodischen leitfähigen Muster auf dem Hauptmaßstab aufgrund der in diesem Muster erzeugten Wirbelströme beeinflußt wird. Eine grundsätzlich ähnliche Meßvorrichtung vom Induktivitätstyp ist in der EP-A2 0 182 085 beschrieben.

Zum absoluten Messen von Verschiebungen ist beispielsweise in der DE-C2 43 31 195 eine Meßvorrichtung vom Kapazitanztyp offenbart. Zur Ermittlung der absoluten Ver schiebung werden mehrere Elektrodenskalen mit unterschiedlichen Teilungen, beispiels weise einem groben und einem feinen Maßstab, benutzt. Der Lesekopf gibt ent sprechend den beiden Maßstäben periodische Signale mit einer Phaseninformation entsprechend der Verschiebung des bewegbaren Elements gegenüber dem festen Element aus. Mittels eines Phasendetektors werden die Phaseninformationen aus den Flanken von Rechtecksignalen, die zuvor von einem Demodulator ausgegeben wurden, ausgewertet, d. h. die Amplitudenwerte benachbarter Elektroden interpoliert, und daraus die absolute Verschiebung berechnet. Die in der DE-C2 43 31 195 offenbarte Meß vorrichtung ist dahingehend spezifiziert, daß sie durch eine Zeitbeschränkung der Phasendatenabtastung relativ wenig elektrische Energie verbraucht und die ermittelten Daten über eine geeignete Anzeigevorrichtung ruhig anzeigt.

Bei Meßvorrichtungen der oben beschriebenen Art hängt, unabhängig vom gewählten Typ der einzelnen Meßvorrichtung, die Auflösung der absoluten Positionsbestimmung des Schiebers unter anderem von der Auflösung der elektronischen Meßskala auf dem Hauptmaßstab ab. Da die Auflösung dieser Meßskala nicht beliebig fein gemacht werden kann, wird bei den bisher bekannten System mit einem A/D-Wandelverfahren entsprechend interpoliert. Derartige Verfahren erfordern einen hohen Aufwand auf der Analogseite, da die Genauigkeit der Messung von der Genauigkeit der Phasen auswertung abhängt.

Die A/D-Wandlung ist im allgemeinen sehr aufwendig und benötigt viel Platz auf einem IC-Chip. Außerdem ist nicht immer ein geeigneter A/D-Wandler in den Biblio theken vorhanden, die für die Benutzung in IC's für derartige Anwendungen im all gemeinen geeignet sind. Ein separater A/D-Wandler scheidet aus Kosten- und Strom verbrauchsgründen für Meßvorrichtungen der beschriebenen Art in der Regel aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik somit die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die ohne die Verwendung eines A/D-Wandlers mit einer sehr hohen Genauigkeit die absolute Messung der Verschiebung des Schiebers gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch eine Meßvorrichtung mit den Merkmalen des Patent anspruches 1 gelöst.

Die Meßvorrichtung zum absoluten Messen von Verschiebungen weist grundsätzlich einen Hauptmaßstab, auf dem entlang seiner Längsrichtung eine Meßskala aufgebracht ist, einen relativ zu dem Hauptmaßstab in dessen Längsrichtung bewegbaren Schieber, einen an dem Schieber angebrachten und mit diesem bewegbaren Lesekopf, und eine mit dem Lesekopf verbundene Auswerteschaltung zum Ermitteln der absoluten Ver schiebung des Schiebers gegenüber dem Hauptmaßstab. Der hier angesprochene Hauptmaßstab ist bei einem Meßschieber oder einer bekannten Schieblehre ein rechteckförmig gebildeter, länglicher Gegenstand, auf dem der Schieber längsbeweglich verschiebbar ist. Auf diese Weise werden Längenmessungen durchgeführt.

Der Hauptmaßstab ist aber ebenso auch kreisförmig ausführbar, um beispielsweise Winkelmessungen vornehmen zu können. Der Maßstab und der Schieber sind in diesem Fall als Kreissegmente ausgebildet, wodurch die Bildung einer Meßuhr oder einer Mikrometerscheibe möglich ist. Wenn im nachfolgenden von einem Hauptmaßstab und einem darauf gleitenden Schieber die Rede ist, so sind immer beide vorgenannten Versionen des Aufbaus und letztlich des Meßmittels gemeint.

Um eine hohe Meßgenauigkeit ohne die Verwendung eines A/D-Wandelverfahrens zu erreichen, weist der Lesekopf mehrere (n) Schreibleitungen und mehrere (m) Leseleitungen auf, wobei elektrische Impulse der Schreibleitungen in allen der m Leseleitungen Impulse erzeugen, die von der momentanen Position des Schiebers gegenüber der Meßskala auf dem Hauptmaßstab abhängen. Ferner sind die Leseleitungen jeweils mit einer Schalteinrichtung verbunden, die in Abhängigkeit von dem in der jeweiligen Leseleitung erzeugten Impuls zwischen zwei Schaltzuständen schaltet.

Somit gehört zu einem Signal oder Impuls auf jeder der n Schreibleitungen ein Daten wort der Länge m. Schaltet man bei einer Position des Schiebers alle n Schreibleitungen durch, so gehört zu dieser Position des Schiebers ein Datenwort der Länge n.m. Da die Impulse in den Leseleitungen jeweils in den zugehörigen Schalteinrichtungen einen von zwei möglichen Schaltzuständen bewirken, wird von dem Lesekopf ein digitales Datenwort der Länge n.m erzeugt, welches von der Auswerteschaltung auszuwerten ist. Ein A/D-Wandler wie bei vorbekannten Systemen ist bei einer Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung deshalb nicht erforderlich.

Vorzugsweise sind die Schreibleitungen und die Leseleitungen des Lesekopfes matrix artig angeordnet und an bzw. bei ihren Kreuzungspunkten elektrisch miteinander gekoppelt. Die Kopplung kann hierbei sowohl kapazitiv als auch induktiv erfolgen. Im Prinzip ist auch eine kombinierte oder gemischte kapazitive-induktive Kopplung denkbar. Die entsprechenden Elektroden bzw. Induktionsschleifen können in einer oder in mehreren Ebenen im Lesekopf angebracht sein, die parallel zu der Meßskala des Hauptmaßstabes ausgerichtet sind.

Es ist ferner von Verteil, wenn die Umschaltung zwischen den beiden Schaltzuständen der Schalteinrichtungen in Abhängigkeit von dem in der jeweiligen Leseleitung erzeugten Impuls in Bezug auf einen Schaltschwellenwert der Schalteinrichtung erfolgt. In einer bevorzugten Ausführungsform werden als Schalteinrichtungen Komparatoren eingesetzt, deren einer Eingang mit der jeweiligen Leseleitung und deren anderer Eingang mit einer Referenzspannungsquelle verbunden ist. An den Ausgängen der Komparatorschaltungen wird dann beispielsweise jeweils der Wert 0 ausgegeben, wenn die Amplitude des Impulses in der zugehörigen Leseleitung unterhalb des Wertes der Referenzspannung liegt, und der Wert 1 wird ausgegeben, wenn die Amplitude des Impulses in der zugehörigen Leseleitung oberhalb des Wertes der Referenzspannung liegt.

Weiter weist die Meßskala des Hauptmaßstabes vorteilhafterweise eine Anordnung von elektrisch leitfähigen Elektroden auf, die derart angeordnet sind, daß die Position des Schiebers gemäß einem pseudozufälligen Code codiert ist. Ein pseudozufälliger Code hat den Vorteil, daß er generiert werden kann und daß er keine Stellenwertigkeit des Datenwortes wie ein üblicher binärer Code aufweist.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand verschiedener Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht;

Fig. 2 die Meßvorrichtung von Fig. 1 im Schnitt gemäß Linie II-II von Fig. 1;

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung der Funktionsweise des Lesekopfes gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 einen Ausschnitt eines Ersatzschaltbildes eines kapazitiven Lesekopfes gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 einen Ausschnitt eines Ersatzschaltbildes eines induktiven Lesekopfes gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ausschnittweise eine Schaltungsanordnung des kapazitiven Lesekopfes von Fig. 4;

Fig. 7 ausschnittweise eine Schaltungsanordnung des induktiven Lesekopfes von Fig. 5; und

Fig. 8A und B ausschnittweise die Meßskalen von zwei verschiedenen Ausführungs beispielen einer Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Anhand der Fig. 1 und 2 wird zunächst der prinzipielle Aufbau einer Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei der Meßvorrichtung handelt es sich um einen elektronischen Meßschieber oder eine elektronische Mikrometerscheibe oder eine elektronische Meßuhr zum Vermessen (Längenmessung, Winkelmessung) von Meßobjekten, wobei der Meßschieber als absolute Meßvorrichtung ausgebildet ist. Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, daß sich die Erfindung nicht nur auf Meßschieber, sondern auf Meßvorrichtungen beliebiger Art bezieht, und im folgenden die Erfindung anhand des Meßschiebers nur als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben wird.

Der Meßschieber 1 weist einen länglichen Hauptmaßstab 2 auf, auf dem eine Meßskala 3 vorgesehen ist. An einem Ende des Hauptmaßstabes 1 sind in üblicher Weise ein Meßschnabel 4 für die Außenmessung und eine Meßspitze 5 für die Innenmessung eines Meßobjektes angebracht. Ferner ist auf dem Hauptmaßstab 2 ein entlang der Längs richtung des Hauptmaßstabes bewegliches Element 6, ein sogenannter Schieber, befestigt. Dieser Schieber 6 weist ebenfalls in üblicher Weise einen Meßschnabel 7 für die Außenmessung sowie eine Meßspitze 8 für die Innenmessung auf, die zusammen mit dem Meßschnabel 4 bzw. der Meßspitze 5 des Hauptmaßstabes 2 jeweils in an sich bekannter Weise ein Paar bilden. Außerdem ist mit dem Schieber 6 eine Metallstange 9 als Tiefenanschlag starr verbunden, die in einer entsprechenden Ausnehmung 10 auf der Rückseite des Hauptmaßstabes 2 geführt ist.

Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, besteht der bewegliche Schieber 6 aus einem Metall rahmen 11, der den Hauptmaßstab 2 seitlich und an der Rückseite umgreift. Der Tiefen anschlag 9 ist fest mit dem Metallrahmen 11 verbunden, vorzugsweise verschraubt (12). An der Vorderseite des Schiebers 6, welche die Meßskala 3 des Hauptmaßstabes 2 verdeckt, ist ein Kunststoffgehäuse 13 vorgesehen, das an den Seiten mit dem Metall rahmen 11 verschraubt (14) ist. Das Kunststoffgehäuse 13 weist an der der Meßskala 3 des Hauptmaßstabes 2 zugewandten Seite eine Ausnehmung 15 für einen Lesekopf 16 und eine Auswerteschaltung 17 auf. Der Lesekopf 16 und die Auswerteschaltung 17 sind ebenfalls fest mit dem Metallrahmen 11 des Schiebers 6 verbunden (18).

Die Auswerteschaltung 17 umfaßt insbesondere eine gedruckte Leiterplatte 19, die mit entsprechenden Elektronikbauteilen 20 (in Fig. 2 nur angedeutet) sowie einer Anzeige vorrichtung 21, wie beispielsweise einer LCD-Anzeige, bestückt ist, wobei die LCD- Anzeige 21 durch eine entsprechende Öffnung 22 im Kunststoffgehäuse 13 für den Benutzer des Meßschiebers 1 sichtbar ist. Ferner ist die Auswerteschaltung 17 mit beispielsweise zwei Schaltelementen 23 versehen, die durch entsprechende Öffnungen im Kunststoffgehäuse 13 aus diesem herausragen, so daß der Benutzer des Meß schiebers 1 die Schaltelemente 23, vorzugsweise Druckschaltknöpfe, betätigen und hier durch beispielsweise die LCD-Anzeige 21 zwischen einer Maßanzeige in "mm" und einer Maßanzeige in "inch" umschalten kann und dergleichen. Zur Stromversorgung der Auswerteschaltung 17 und des Lesekopfes 16 ist in dem Kunststoffgehäuse 13 außerdem eine geeignete Ausnehmung für Batterien oder Akkumulatoren vorgesehen (nicht gezeigt).

Auf der Meßskala 3 des Hauptmaßstabes 2 ist eine große Anzahl von elektrisch leit fähigen Elementen oder Elektroden 24, vorzugsweise aus Kupfer, aufgebracht. Die Anordnung dieser Elektroden 24 ist in den schematischen Draufsichten von Fig. 8A und B anhand von zwei verschiedenen Ausführungsbeispielen näher veranschaulicht.

Im ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8A sind die Elektroden 24 quer zu der Längsrichtung der Meßskala 3 und somit auch quer zu der Verschiebungsrichtung des Schiebers 6 orientiert. In Längsrichtung der Meßskala 3 bzw. in Verschiebungsrichtung des Schiebers 6 wechseln sich die elektrisch leitfähigen Elektroden 24 mit elektrisch nicht leitfähigen bzw. isolierenden Zonen 25 ab. Die Zonen 25 können dabei beispiels weise entweder durch Aufbringen eines elektrisch isolierenden Materials auf die Meßskala 3 oder durch Freilassen der Meßskala 23, die aus elektrisch nicht leitfähigem Material besteht, zwischen den Elektroden 24 gebildet werden.

Wie der Fig. 8A zu entnehmen ist, sind die Kanten zu Begrenzung zwischen den Elektroden 24 und den nicht leitfähigen bzw. elektrisch isolierenden Zonen 25 unterschiedlich ausgeführt. Im Normalfall verlaufen die Kanten 37 senkrecht bzw. rechtwinklig zur Längsrichtung der Skala bzw. Verschiebung. Dies führt aber dazu, daß bei einer ebenso rechtwinkligen Anordnung der Elektroden im Schieber jeweils alle Leseleitungen das gleiche Signal sehen bzw. erkennen und somit redundant sind. Der durch die Erfindung geschaffene große Vorteil der Anwendung der Matrixanordnung, die es erlauben soll, die Positionen in einem langen Datenwort zu codieren, wird dadurch wieder genommen. Um diesen gewünschten Vorteil voll zur Geltung zu bringen, werden die Kanten der aneinander angrenzenden Elektroden und der isolierenden Zonen unter einem geeigneten Winkel zur Skalalängsrichtung geneigt, wie dies die Kanten 38 und 39 zeigen. Die vordere und hintere Kante können dabei grundsätzlich in unterschiedlichen Winkeln geneigt sein.

Eine andere Art der Kantenführung ist in Fig. 8A bei 40 zu erkennen. Hier verlaufen die Kanten 40 in einer einfach oder mehrfach geschwungenen Kurve. Eine noch andere Ausführungsart besteht darin, daß die Kanten gestuft sind (nicht gezeigt) oder in anderer geeigneter Weise beliebig geführt sind. Wesentlich bei den Kantenführunges ist es, daß dadurch immer eine eindeutige Codierung des Datenwortes möglich ist.

Alternativ zu den geneigten oder in Kurverform geführten Kanten des Elektrodenmusters der Skala kann die Anordnung der Elektroden im Schieber mit unterschiedlichem Kantenverlauf eingesetzt sein.

Während bei Meßvorrichtungen zum relativen Messen von Verschiebungen die Elektroden 24 und isolierenden Zonen 25 in einer periodischen Abfolge auf der Meßskala 3 vorgesehen sind, ist das Muster aus Elektroden 24 und isolierenden Zonen 25 bei Meßvorrichtungen 1 zum absoluten Messen von Verschiebungen in geeigneter Weise codiert.

Wie weiter unten näher erläutert werden wird, erzeugt das vom Lesekopf 16 abgetastete Elektrodenmuster 24 ein binäres Datenwort. Dieses Datenwort muß nun so konstruiert sein, daß jeder Position des Schiebers 6 relativ zum Hauptmaßstab 2 in eindeutiger Weise genau ein vordefinierter Wert zugeordnet ist. Hierbei liegt eine Schwierigkeit darin, daß bei den meisten bekannten Systemen bei einer Verschiebung des Schiebers 6 um die minimale Auflösung der Meßvorrichtung 1 die meisten Bits des vom Lesekopf 16 erfaßten Datenwortes ihren Wert behalten und höchstens einige wenige in der Nähe eines Schaltschwellenwertes (siehe weiter unten) kippen. Daraus resultiert das Problem, daß die prinzipielle Unsicherheit von einem Bit durch rauschbedingtes Kippen zwischen 0 und 1, die jedem digitalen System inhärent ist, je nach Stellenwert des Datenwortes beliebig groß werden würde, wenn man eine Codierung des Elektrodenmusters 24 wählen würde, die wie der übliche Binärcode unterschiedliche Stellengewichte hat.

Deshalb wird bei der hier beschriebenen Meßvorrichtung 1 vorteilhafterweise eine Meßskala 3 mit einem Elektrodenmuster 24 verwendet, das eine pseudozufällige Codierung der Position des Schiebers 6 erlaubt. Der pseudozufällige Code erlaubt eine eindeutige Zuordnung zwischen Datenwort und Position des Schiebers 6, besitzt aber keine Stellenwertigkeit des Datenwortes wie der übliche Binärcode. Ein pseudo zufälliger Code kann außerdem generiert werden, während ein echt zufälliger Code in einer Tabelle nachgeschlagen werden muß, was aber aufgrund der großen Anzahl der möglichen Positionen des Schiebers 6 in der Praxis nicht realisierbar ist.

Die gewählte pseudozufällige Codierung sollte ferner genügend Redundanz aufweisen, um unvermeidbare zufällige Fehler bei der Erfassung des Datenwortes herausfiltern zu können. Hierzu sind aus dem Stand der Technik im Prinzip verschiedene, geeignete Kanalcodierungsverfahren bekannt. Auf diese Weise wirken sich in der Praxis auf tretende Fehler, wie Abstandsvariationen zwischen Meßskala 3 und Lesekopf 16, Kippen des Meßschiebers 1, Schwankungen der Impulsamplituden, Fehler und Rauschen der Schaltschwellenwerte der Schalteinrichtungen 32 und dergleichen nicht auf die Ermittlung der Position des Schiebers 6 aus.

Im zweiten Ausführungsbeispiel der Meßskala von Fig. 8B erstrecken sich die Elektroden 24 im Gegensatz zum oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 8A nicht über die gesamte Breite der Meßskala 3 quer zu deren Längsrichtung. Die Elektroden 24 sind vielmehr auch in dieser Querrichtung der Meßskala 3 durch schmale Zonen 25 aus elektrisch isolierendem Material getrennt. Auf diese Weise erhält man ein zweidimensionales Elektrodenmuster 24, wodurch auch die Möglichkeiten der Codierung vielfältiger werden. Somit läßt sich insbesondere auch eine höhere Auf lösung der Positionsbestimmung des Schiebers 6 bei gleichzeitig eindeutiger Zuordnung der Datenworte zu den Positionen des Schiebers 6 erzielen.

Wie anhand von Fig. 2 zu erkennen ist, besteht der Lesekopf 16 des Schiebers 6 im wesentlichen aus einem Substrat, wie beispielsweise einer Platine 26, auf der je nach Typ des Meßschiebers 1 eine große Anzahl von Elektroden 27 oder Induktivitäten 36 angeordnet ist. Die Schaltungsanordnung des Lesekopfes 16 wird im folgenden anhand der Fig. 3 bis 7 genauer erläutert.

Wie in dem Prinzipschaltbild von Fig. 3 dargestellt, umfaßt der Lesekopf 16 mehrere n Schreibleitungen 28 und mehrere m Leseleitungen 29. Die Schreibleitungen 28 und die Leseleitungen 29 sind jeweils mit den Ausgängen bzw. Eingängen eines Mikro prozessors der Auswerteschaltung 17 verbunden. Ferner sind die Schreibleitungen 28 und Leseleitungen 29 vorzugsweise matrixartig angeordnet und an bzw. bei den Kreuzungspunkten 30 miteinander gekoppelt.

Ein Impulsgenerator 31 mit geeigneter Ausgangsimpedanz speist die n Schreibleitungen 28 mit einem geeigneten Muster, im einfachsten Fall mit einem einzelnen Impuls zu jedem Zeitpunkt. An den Kreuzungspunkten 30 werden durch die Impulse in den Schreibleitungen 28 entsprechende Impulse in den Leseleitungen 29 erzeugt. Hierbei hängt die Amplitude der in den m Leseleitungen 29 erzeugten Impulse von der Position des Lesekopfes 16 (und damit auch des Schiebers 6) gegenüber dem Elektrodenmuster 24 der Meßskala 3 des Hauptmaßstabes 2 ab. Somit gehören zu einem Impuls auf jeder der n Schreibleitungen 28 insgesamt m Impulse in den Leseleitungen 29, die in ein m Bit langes Datenwort umgewandelt werden (siehe weiter unten). Schaltet man bei einer Position des Schiebers 6 alle n Schreibleitungen 28 des Lesekopfes 16 durch, so erhält man zu dieser Position des Schiebers 6 ein Datenwort der Länge n.m.

Da am Ende der Leseleitungen 29 die alle durch die n Schreibleitungen 28 an den Kreuzungspunkten 30 erzeugten Impulse addiert werden, kann es von Vorteil sein, anstatt zu einem Zeitpunkt nur eine Schreibleitung 28 mit einem Impuls zu belegen, an alle n Schreibleitungen 28 oder zumindest an eine Teilauswahl von k < n Schreib leitungen 28 gleichzeitig ein geeignetes Impuls-Muster zu legen. Dieses Muster erscheint dann sozusagen multipliziert mit der Metallisierungsüberdeckung durch das Elektrodenmuster 24 der Meßskala 3 an den m Leseleitungen 29. Auf diese Weise läßt sich für jede Position des Schiebers 6 gegenüber der Meßskala 3 ein sehr langes Datenwort erzeugen.

Die Impulse in den Leseleitungen 29 werden jeweils einem Eingangsanschluß einer Komparatorschaltung 32 zugeführt. An den zweiten Eingangsanschlüssen der Komparatorschaltungen 32 liegt jeweils eine Referenzspannung U_ref an. An den Ausgängen 33 der Komparatorschaltungen 32 wird jeweils der Wert 0 ausgegeben, wenn die Amplitude des Impulses in der zugehörigen Leseleitung 29 unterhalb des Wertes der Referenzspannung U_ref liegt, und der Wert 1 wird ausgegeben, wenn die Amplitude des Impulses in der zugehörigen Leseleitung 29 oberhalb des Wertes der Referenzspannung U_ref liegt. Mit anderen Worten werden die Komparatorschaltungen 32 in Abhängigkeit von dem in der jeweiligen Leseleitung 29 erzeugten Impuls zwischen zwei Schaltzuständen (0-1 bzw. OFF-ON) geschaltet. Anstelle der in Fig. 3 gezeigten Komparatoren 32 können selbstverständlich auch andere Schalteinrichtungen, wie beispielsweise die Eingangsgatter eines Mikroprozessors eingesetzt werden, die zwischen zwei Schaltzuständen schaltbar sind.

Auf diese Weise wird ohne die Verwendung eines A/D-Wandlers ein digitales bzw. binäres Datenwort der Länge n.m erzeugt, welches mittels der Auswerteschaltung 17 des Schiebers 6 direkt ausgewertet werden kann, um die absolute Position des Schiebers 6 gegenüber der Meßskala 3 des Hauptmaßstabes 2 zu bestimmen. Durch die Ver wendung einer großen Anzahl von Schreib- und Leseleitungen 28, 29 kann so auf einfache Weise mit einer sehr hohen Genauigkeit eine absolute Positionsbestimmung des Schiebers 6 erzielt werden.

Die digitalen Ausgänge 33 der Schalteinrichtungen 32 werden zunächst jeweils einem Zwischenspeicher 34, wie beispielsweise einer D-FlipFlop-Schaltung, zugeführt und in diesem zwischengespeichert. Von diesen Zwischenspeichern 34 werden die Werte von dem (nicht gezeigten) Mikroprozessor der Auswerteschaltung 17 abgerufen und Bit weise zu dem Datenwort der Länge n.m zusammengesetzt. Der Mikroprozessor oder eine geeignete Hardware der Auswerteschaltung 17 führt anschließend die Decodierung des Datenwortes durch und zeigt die decodierte absolute Position des Schiebers 6 mittels der LCD-Anzeige 21 dem Benutzer an. Um die richtige zeitliche Korrelation zwischen dem von dem Impulsgenerator 31 in den Schreibleitungen 28 erzeugten Signale oder Impulse und der Speicherung der digitalen Ausgangsdaten der Komparatoren 32 in den Zwischenspeichern 34 zu gewährleisten, wird sowohl dem Impulsgenerator 31 als auch den Zwischenspeichern 34 über eine gemeinsame Clock- Leitung 35 ein Taktsignal Clk zugeführt.

Die Meßvorrichtung 1 kann gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl als Kapazitanz typ als auch als Induktivitätstyp ausgebildet sein. Ein Ausführungsbeispiel eines Meß schiebers 1 vom Kapazitanztyp ist in den Fig. 4 und 6 gezeigt, während ein Aus führungsbeispiel einer Schaltungsanordnung des Lesekopfes 16 eines Meßschiebers 1 vom Induktivitätstyp in den Fig. 5 und 7 ausschnittweise dargestellt ist.

Bei der Meßvorrichtung 1 vom Kapazitanztyp sind die Schreibleitungen 28 und die Leseleitungen 29 des Lesekopfes 16 an bzw. bei den Kreuzungspunkten 30 elektro statisch durch Kapazitäten C_ij miteinander gekoppelt. Diese Kapazitäten C_ij werden beispielsweise durch jeweils zwei Elektroden 27 gebildet. Diese Elektroden 27 sind vorzugsweise in einer Ebene parallel zu der Meßskala 3 des Hauptmaßstabes 2 angeordnet. Es ist allerdings prinzipiell ebenso möglich, die Elektroden 27 in ver schiedenen Ebenen im Lesekopf 16 anzuordnen.

Der an bzw. bei dem Kreuzungspunkt 30 in der Leseleitung 29 durch einen elektrischen Impuls in der Schreibleitung 28 erzeugte Impuls hängt von der jeweiligen Kapazität C_ij der beiden benachbarten Elektroden 27 ab. Außerdem wird die momentane Kapazität C_ij und damit auch der in der Leseleitung 29 erzeugte Impuls durch die Elektroden 24 der Meßskala 3 beeinflußt, die den Elektroden 27 des Lesekopfes 16 parallel gegenüber liegen und somit im Prinzip Differentialkondensatoren gebildet werden, die je nach Position der Meßskala 3 gegenüber dem Lesekopf 16 unterschiedliche Kapazitäten Cii aufweisen. Die Elektroden 24 der Meßskala 3 sind in Fig. 6 beispielhaft gemäß dem Ausführungsbeispiel der Meßskala 3 von Fig. 8B dargestellt.

Anstatt durch Kapazitäten C_ij sind die Schreib- und Leseleitungen 28, 29 bei der Meßvorrichtung 1 vom Induktivitätstyp durch je zwei Induktivitäten L_i und L_j magnetisch an bzw. bei den Kreuzungspunkten 30 gekoppelt, wie dies in Fig. 5 schematisch dargestellt ist. Die Induktivitäten Li, Lj werden zum Beispiel durch Induktionsschleifen 36 gebildet, die in einer oder auch in verschiedenen Ebenen im Lesekopf 16 angeordnet sein können.

Durch einen elektrischen Impuls in der Schreibleitung 28 wird in den Induktivitäten L_i dieser Schreibleitung 28 jeweils ein Magnetfeld induziert. Dieses Magnetfeld wiederum induziert an bzw. bei den Kreuzungspunkten 30 der Schreibleitung 28 in den benachbarten Induktivitäten L_j der Leseleitungen 29 einen elektrischen Impuls, der unter anderem von den jeweiligen Induktivitäten L_i und L_j sowie deren gegenseitigen Anordnungen abhängt. Die Induktion der elektrischen Impulse in den Leseleitungen wird dabei außerdem durch das Elektrodenmuster 24 auf der Meßskala 3 beeinflußt. Dies geschieht im wesentlichen dadurch, daß die elektrischen Impulse in den Induktivitäten L_i der Schreibleitung 28 in den Elektroden 24 der Meßskala 3 Wirbel ströme induzieren, die ihrerseits ebenfalls in den Induktivitäten L_i und L_j der Schreib- und Leseleitungen 28, 29 elektrische Impulse induzieren.

Somit hängen sowohl bei der Meßvorrichtung 1 vom Kapazitanztyp als auch bei derjenigen vom Induktivitätstyp die in den Leseleitungen 29 erzeugten Impulse von dem jeweiligen Elektrodenmuster 24 der Meßskala 3 ab, welches momentan dem Lesekopf 16 des Schiebers 6 gegenübersteht und mit den Kapazitäten C_ij bzw. den Induktivitäten L_i, L_j des Lesekopfes 16 wechselwirkt.

Bezugszeichenliste

1

Meßschieber

2

Hauptmaßstab

3

Meßskala

4

fester Meßschnabel

5

feste Meßspitze

6

Schieber bzw. bewegliches Element

7

beweglicher Meßschnabel

8

bewegliche Meßspitze

9

Tiefenanschlag

10

Ausnehmung für

9

11

Metallrahmen

12

Schraubverbindung

9-11

13

Kunststoffgehäuse

14

Schraubverbindung

11-13

15

Ausnehmung

16

Lesekopf

17

Auswerteschaltung

18

Schraubverbindung

11-16

,

17

19

Leiterplatte

20

Elektronik

21

LCD-Anzeige

22

Gehäuseöffnung für

21

23

Schaltelemente

24

Elektroden

25

isolierende Zonen

26

Platine von

16

27

Elektroden von

16

28

Schreibleitungen

29

Leseleitungen

30

Kreuzungspunkte

31

Impulsgenerator

32

Komparatorschaltung

33

Ausgang von

32

34

Zwischenspeicher

35

Clock-Leitung

36

Induktionsschleife

37

rechtwinklige Kanten

38

geneigte Kanten

39

geneigte Kanten

40

Kanten in Kurverform

Claims

1. Meßvorrichtung zum absoluten Messen von Verschiebungen, mit

1. einem Hauptmaßstab (2), auf dem entlang seiner Längsrichtung eine Meßskala (3) aufgebracht ist,
2. einem relativ zu dem Hauptmaßstab (2) in dessen Längsrichtung bewegbaren Schieber (6),
3. einem an dem Schieber (6) angebrachten und mit diesem bewegbaren Lesekopf (16), und
4. einer mit dem Lesekopf (16) verbundenen Auswerteschaltung (17) zum Ermitteln der absoluten Verschiebung des Schiebers (6) gegenüber dem Haupt maßstab (2),

dadurch gekennzeichnet,
daß der Lesekopf (16) mehrere (n) Schreibleitungen (28) und mehrere (m) Leseleitungen (29) aufweist, wobei elektrische Impulse der Schreibleitungen (28) in allen Leseleitungen (29) Impulse erzeugen, die von der momentanen Position des Schiebers (6) gegenüber der Meßskala (3) abhängen, und
daß die Leseleitungen (29) jeweils mit einer Schalteinrichtung (32) verbunden sind, die in Abhängigkeit von dem in der jeweiligen Leseleitung (29) erzeugten Impuls zwischen zwei Schaltzuständen schaltbar ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schreibleitungen (28) und die Leseleitungen (29) matrixartig angeordnet und an bzw. bei den Kreuzungspunkten (30) elektrisch gekoppelt sind.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schreibleitungen (28) und die Leseleitungen (29) kapazitiv gekoppelt sind.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schreibleitungen (28) und die Leseleitungen (29) mittels in einer Ebene oder in verschiedenen Ebenen angeordneter Elektroden (27) kapazitiv gekoppelt sind.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schreibleitungen (28) und die Leseleitungen (29) induktiv gekoppelt sind.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schreibleitungen (28) und die Leseleitungen (29) mittels in einer oder in mehreren Ebenen angeordneten Induktionsschleifen (36) induktiv gekoppelt sind.

7. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (32) in Abhängigkeit von dem in der jeweiligen Leseleitung (28) erzeugten Impuls in Bezug auf einen Schaltschwellenwert der Schalteinrichtung (32) zwischen den zwei Schaltzuständen schaltbar ist.

8. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (32) Komparatoren sind, deren einer Eingang mit der jeweiligen Leseleitung (29) und deren anderer Eingang mit einer Referenz spannungsquelle (U_ref) verbunden ist.

9. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (32) jeweils mit einer Speichereinrichtung (34) zur Zwischenspeicherung des Ausgangssignales der jeweiligen Schalteinrichtung (32) verbunden sind.

10. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schreibleitungen (28) mit einem Impulsgenerator (31) zur Einspeisung der elektrischen Impulse in die Schreibleitungen (28) verbunden sind.

11. Meßvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Clock-Leitung (35) zum Zuführen eines gemeinsamen Taktsignales (Clk) zu den Speichereinrichtungen (34) und/oder dem Impulsgenerator (31) vorgesehen ist.

12. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßskala (3) des Hauptmaßstabes (2) eine Anordnung von elektrisch leitfähigen Elektroden (24) aufweist, die derart angeordnet sind, daß die Position des Schiebers (6) gegenüber der Meßskala (3) gemäß einem pseudozufälligen Code codiert ist.

13. Meßvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Begrenzung zwischen den Elektroden (24) und/oder den elek trisch isolierenden Zonen (25) rechtwinklig (37) zur Längsrichtung der Skala, unter einem geeigneten Winkel (38, 39), gekurvt (40) oder gestuft verlaufen.

14. Verwendung der Meßvorrichtung nach den Patentansprüchen 1 bis 13 in Schiebleh ren mit stabförmigem Maßstab oder in Meßuhren oder in Mikrometerscheiben mit kreisförmigem Maßstab und/oder Schieber bzw. mit kreisförmig angeordneten Seg menten.