DE20120658U1

DE20120658U1 - Induktive Positionserkennungsvorrichtung

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Publication number: DE20120658U1
Application number: DE20120658U
Authority: DE
Original assignee: Vogt Electronic AG
Current assignee: Vogt Electronic AG
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2011-12-21

Description

VOGT electronic AG 20. Dezember 2001

DEGB-75559.9

Induktive Positionserkennungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Induktive Positionserkennungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 198 13 497 A1 ist ein induktiver Weggeber mit Primärspulen bekannt, die in Sekundärspulen eine Spannung induzieren. Die Größe der induzierten Spannung wird durch die räumliche Lage einer Induktionsbeeinflussungseinrichtung beeinflusst. Somit kann aus der Größe der induzierten Spannung auf die Position der Induktionsbeeinflussungseinrichtung geschlossen werden.

Ferner sind aus dem Stand der Technik, z. B. aus der JP 58-127116 A, Weg- bzw. Winkelmesssysteme bekannt, bei denen über eine Brückenanordnung mit Sensorspulen die Winkel- oder Weginformation über die Phasenlage ausgewertet wird. Die Spulen sind dabei in einer Brückenanordnung verschaltet und werden alle mit Wechselstrom relativ hoher Frequenz gespeist. Ein elektrisch leitendes Bedämpfungselement bewegt sich relativ zu den Spulen und dient als Positionierungsgeber. In dem Bedämpfungselement werden Wirbelströme erzeugt, die ihrerseits die Impedanz der Spulen beeinflussen und somit zu einer Phasendifferenz zwischen den in der Brückenanordnung verschalteten Spulen führen. Aus der Phasenlage kann dann auf die Position des Bedämpfungselements geschlossen werden.

Ein Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen besteht darin, dass der Bauraum mindestens doppelt so groß wie der wirklich erfassbare Weg oder Winkel sein muß. Außerdem kann keine Position auf einer bestimmten Fläche erkannt werden, d. h. nach dem Stand der Technik ist eine zweidimensionale Positionserkennung nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Induktive Positionserkennungsvorrichtung bereitzustellen, die im Hinblick,auf den tatsächlich erfassbaren Weg oder Winkel besonders platzsparend aufgebaut werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Induktive Positionserkennungsvorrichtung nach Anspruch 1.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Induktiven Positionserkennungsvorrichtung besteht in ihrem sehr einfachen Aufbau. Dadurch kann, verglichen mit den aus dem Stand der Technik bekannten Induktiven Positionserken-

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nungssystemen, der Bauraum der Vorrichtung in Bezug auf den wirklich messbaren Weg oder Winkel deutlich verkleinert werden.

Vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Induktiven Positionserkennungsvorrichtung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 13.

Bei der ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Induktiven Positionserkennungsvorrichtung gemäß Anspruch 6 ist eine Winkelerkennung bis zu 360° mit der Geberanordnung möglich. Die ebenfalls besonders bevorzugte Ausführungsform nach Anspruch 7 ermöglicht die Positionserkennung des Gebers auf einer Fläche.

Ferner ganz besonders bevorzugt ist die Ausführungsform nach Anspruch 9, bei welchen die Positionserkennungsvorrichtung in kombinierter Weise Winkel und Strecken misst. Die ebenfalls besonders bevorzugte Ausführungsform nach Anspruch 10 ermöglicht die Bereitstellung einer flächig kodierten Bedämpfungsstruktur.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Induktiven Positionserkennungsvorrichtung werden nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Induktiven Positionserkennungsvorrichtung in teilweiser Explosionsdarstellung,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Induktiven Positionserkennungsvorrichtung,

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild der Vorrichtung von Fig. 2 in anderer Darstellung,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Positionserkennungsvorrichtung in teilweiser Explosionsdarstellung,

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Positionserkennungsvorrichtung,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Sekundärspulen und des Positionsgebers aus dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1,

Fig. 7 schematisch ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen induktiven Positionserkennungsvorrichtung,

Fig. 8 schematisch in Schnittdarstellung ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen induktiven Positionserkennungsvorrichtung und

Fig. 9 schematisch ein siebtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen induktiven Positionserkennungsvorrichtung.

Fig. 1 stellt in teilweiser Explosionsdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Induktiven Positionserkennungsvorrichtung dar, die bei diesem Beispiel als Wegmesssystem ausgebildet ist. Einer Primärspule L1 gegenüberliegend angeordnet ist eine Sekundärspulenanordnung 2 mit mehreren auf einer Platine 3 angeordneten gesteuerten Wirbelstromflächen 4. Sowohl die Primärspule L1, als auch die gesteuerten Wirbelstromflächen 4 sind als Planarspulen ausgebildet. Die gesteuerten Wirbelstromflächen 4 sind außerdem alle gleich.

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Die Primärspule L1 wird durch eine nicht dargestellte Spannungsversorgungseinrichtung mit einer Wechselspannung relativ hoher Frequenz gespeist. Eine in Fig. 1 ebenfalls nicht dargestellte Schalteinrichtung schaltet die gesteuerten Wirbelstromflächen 4 jeweils einzeln nacheinander kurz. Auf diese Weise ergibt sich die Steuerung der genannten gesteuerten Wirbelstromflächen. Durch die resultierende Bedämpfung wird die Induktivität bzw. Güte der gegenüberliegenden Primärspule L1 verändert.

Die als Ausführungsbeispiel in Fig. 1 dargestellte Induktive Positionserkennungsvorrichtung weist ferner ein als Positionsgeber dienendes Bedämpfungselement 5 auf. Dieses besteht im wesentlichen aus einem elektrisch leitfähigen Plättchen, das ungefähr die gleiche Fläche wie eine gesteuerte Wirbelstromfläche 4 abdeckt. Es kann sich im Bereich der von der Primärspule L1 abgewandten Seite der Sekundärspulenanordnung 2 über den gesteuerten Wirbelstromflächen 4 hin und herbewegen. Befindet sich der Positionsgeber 5 genau gegenüber einer momentan angesteuerten Wirbelstromfläche 4, so ist die Änderung der Induktivität bzw. Güte der Primärspule L1 am geringsten. Dies liegt daran, dass eine große Bedämpfungsfläche an einer Planarspule eine dementsprechend große Induktivitäts- bzw. Güteänderung hervorruft.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Induktiven Positionserkennungsvorrichtung weist ferner eine Mess- und Auswerteeinrichtung auf, welche die Induktivitätsänderung der Primärspule L1 in Abhängigkeit vom Schaltzustand der Sekundärspulenanordnung 2 misst und daraus die Position des Positionsgebers 5 ermittelt. Durch die Berücksichtigung von Wertigkeits- oder Richtungsfaktoren können dabei nicht nur solche Geberpositionen ermittelt werden, bei denen der Positionsgeber 5 vollständig über einer einzigen gesteuerten Wirbelstromfläche steht, sondern auch solche Geberpositionen, bei denen der Positionsgeber 5 zwei gesteuerte Wirbelstromflächen 4 teilweise überdeckt, wie dies schematisch in Fig. 6 dargestellt ist. In Fig. 6 sind die vier gesteuerten Wirbelstromflächen 4 jeweils separat mit S1, S2, S3 und S4 bezeichnet.

Die Mess- und Auswerteeinrichtung, welche die Induktivitätsänderung der Primärspule L1 auswertet, kann mit bekannten Messverfahren arbeiten, z. B. mit dem Resonanzkreisverfahren.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Mess- und Auswerteeinrichtung sowohl dazu geeignet, die absolute Position des Positionsgebers 5 anzugeben, als auch einen Weg s zu ermitteln, den der Positionsgeber 5 innerhalb eines bestimmten Zeitraumes zurückgelegt hat.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Prinzipschaltbilder eines anderen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Induktiven Positionserkennungsvorrichtung. Die Induktive Positionserkennungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und 3 ist schaltungstechnisch genau so aufgebaut wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, wobei der Unterschied darin besteht, dass sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren 2 und 3 der Positionsgeber 5 im Bereich der von der Sekundärspulenanordnung S1 bis S5 abgewandten Seite der Primär-

spule L1 parallel zur Primärspule bewegt. Außerdem weist das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2 und 3 eine gesteuerte Wirbelstromfläche S5 mehr auf als das Ausführungsbeispiel von Fig. 1. Schematisch ist in den Fig. 2 und 3 nun auch die bereits mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 erläuterte Schalteinrichtung mit den Schaltern 6 bis 10 zu sehen.

Bei den in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Induktiven Positionserkennungsvorrichtung handelt es sich um flächenhafte Positionserkennungsvorrichtungen, bei denen die Lage des Positionsgebers 5 in Bezug auf ein zweidimensionales Koordinatensystem ermittelt werden kann. Zu diesem Zweck ist, wie insbesondere in Fig. 4 zu sehen, die Sekundärspulenanordnung 2 als ein zweidimensionales Feld mehrerer Planarspulen ausgebildet. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 finden darüber hinaus auch sogar mehrere Primärspulen L1 bis L4 Verwendung, die ebenfalls als Planarspulen ausgebildet und nebeneinander, aber jeweils gegenüber der Sekundärspulenanordnung 2 angeordnet sind, wie dies Fig. 4 entnommen werden kann. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 5 hingegen arbeitet mit einer einzigen großen Primärspule L1.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 wird, wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1, eine Sandwichstruktur der Art Positionsgeber 5 Sekundärspulenanordnung 2 - Primärspule(n) verwendet, während bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 die Sandwichstruktur von der Gestalt Sekundärspulenanordnung 2 - Primärspule L1 - Positionsgeber 5 ist, also insofern dem Ausführungsbeispiel aus den Fig. 2 und 3 entspricht.

Der größeren Anzahl von gesteuerten Wirbelstromflächen in den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 4 und 5 entspricht natürlich eine gegenüber den mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispielen erhöhte Schalteranzahl in der Schalteinrichtung, wie dies in Fig. 5 zu sehen ist. Ansonsten wird bzw. werden jedoch genau so wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 bis 3 die Primärspule(n) über eine nicht dargestellte Spannungsversorgungseinrichtung mit einer Spannung relativ hoher Frequenz gespeist, was einen Wirbelstrom in der jeweils momentan kurzgeschlossenen gesteuerten Wirbelstromfläche verursacht. Dieser Wirbelstrom wiederum wirkt auf die Primärspule(n) zurück und bedämpft diese. Die Induktivitäts- bzw. Güteänderung der Primärspule(n) wird durch die (nicht dargestellte) Mess- und Auswerteeinrichtung gemessen und ausgewertet. Wird eine gesteuerte Wirbelstromfläche kurzgeschlossen, über der sich gerade der Positionsgeber 5 befindet, so ist die Induktivitäts- bzw. Güteänderung der Primärspule(n) eine andere, als wenn eine gesteuerte Wirbelstromfläche kurzgeschlossen wird, über der sich der Positionsgeber 5 gerade»nicht befindet. Auf diese Weise kann die Mess- und Auswerteeinrichtung die aktuelle Position des Positionsgebers 5 in Bezug auf das zweidimensionale Feld der gesteuerten Wirbelstromflächen ermitteln.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Induktiven Positionserkennungsvorrichtung werden als Sekundär- und Primärspulen auch

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Planarspulen verwendet. Diese sind jedoch so gebogen und kreisförmig bzw. zumindestens kreissegmentförmig angeordnet, dass der Positionsgeber als Winkelgeber fungieren kann. Decken die Spulen einen Vollkreis ab, dann ist mit dieser Anordnung sogar eine Winkelerkennung bis 360° möglich. Ein derartiges Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen induktiven Positionserkennungsvorrichtung ist in Fig. 7 schematisch dargestellt. Der Positionsgeber 5 kann sich im Vollwinkelbereich von 360° um eine Achse 11 drehen. Der gleiche Vollwinkelbereich wird durch die Primärspule L1 und die Gesamtheit der gesteuerten Wirbelstromflächen 4 abgedeckt, so wie es in Fig. 7 schematisch dargestellt ist. Die Mess- und Auswerteeinrichtung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7 entspricht prinzipiell der mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 beschriebenen Mess- und Auswerteeinrichtung. Anstelle eines Weges s wird jedoch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 die Winkelposition &agr; bestimmt.

Bei dem in Fig. 8 schematisch dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen induktiven Positionserkennungsvorrichtung dient der Positionsgeber als kombinierter Winkel- und Weggeber. Von der Stirnfläche her gesehen entspricht das Ausführungsbeispiel von Fig. 8 dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7. Anstelle eines eindimensionalen Winkelgebers, wie er im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 vorliegt, ist jedoch das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen induktiven Positionserkennungsvorrichtung nach Fig: 8 dahingehend erweitert, dass eine zweidimensionale Winkel- und Wegmessung möglich ist. Der Positionsgeber 5 sitzt auf einer Stange 12, die innerhalb der durch die Primärspule L1 gebildeten Hülse in Richtung des Weges s hin und herbewegt werden kann und gleichzeitig um den Winkel &agr; drehbar ist. Die Gesamtheit der gesteuerten Wirbelstromflächen 4 ist, wie im Querschnitt von Fig. 8 zu sehen, entlang der gesamten Hülse gruppiert. Außerdem sind die gesteuerten Wirbelstromflächen genau wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7 über die gesamten 360° des Kreiszylindermantelbereichs herum angeordnet. Die, in Fig. 8 nicht dargestellten, Schalt-, Mess- und Auswerteeinrichtungen funktionieren bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 8 prinzipiell so wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen. Das Besondere bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 besteht jedoch darin, dass die Mess- und Auswerteeinrichtung sowohl eine Winkel- als auch eine Weginformation bereitstellt.

In Fig. 9 ist schematisch ein siebentes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen induktiven Positionserkennungsvorrichtung gezeigt. Dieses entspricht in seiner Grundstruktur im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2, weist jedoch weitere gesteuerte Wirbelströmflächen 13, 14 auf, die so angeordnet sind, dass sich unter Einbeziehung der erstgenannten gesteuerten Wirbelstromflächen 4 eine Sandwichstruktur aus mindestens zwei übereinander angeordneten gesteuerten Wirbelstromflächen ergibt, wobei die Schalteinrichtung 6 bis 10 so ausgelegt ist, dass sie auch die weiteren gesteuerten Wirbelstromflächen jeweils einzeln nacheinander kurzschaltet.

Bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen induktiven Positionserkennungsvorrichtung sind die gesteuerten Wirbelstromflächen 4, 13, 14 in jeder einzelnen Schicht der Sandwichstruktur gleich groß. Allerdings variiert die Größe der gesteuerten Wirbelstromflächen 4, 13, 14 von Schicht zu Schicht der Sandwichstruktur derart, dass sich ausgehend von der von der Primärspule L1 abgewandten Seite der Sandwichstruktur die Größe der gesteuerten Wirbelstromflächen 4,13,14 von Schicht zu Schicht jeweils halbiert.

Die, in Fig. 9 nicht dargestellten, Schalt-, Mess- und Auswerteeinrichtungen funktionieren bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 9 prinzipiell so wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen. Das Besondere bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. ^besteht allerdings darin, dass durch die besondere Sandwichstruktur der gesteuerten Wirbelstromflächen 4, 13, 14 eine flächig codierte Bedämpfungsstruktur für die Auswertung zur Verfügung steht. Durch die Bedämpfung wird eine digitale Codierung in die Ebenen der Sandwichstruktur eingebracht, in der vielfältige, von der Mess- und Auswerteeinrichtung verarbeitbare und auswertbare Informationen wie z.B. Steuerinformationen für weitere externe Geräte, Identifikationscodes oder anderes codiert werden können.

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Claims

1. Induktive Positionserkennungsvorrichtung mit

1. mindestens einer Primärspule (L1 bis L4),

- einer mehrere gesteuerte Wirbelstromflächen (4, S1 bis S5) aufweisenden Sekundärspulenanordnung (2) und

- einem als Positionsgeber dienenden Bedämpfungselement (5),

dadurch gekennzeichnet, dass

1. die gesteuerten Wirbelstromflächen (4, S1 bis S5) nebeneinander, aber jeweils gegenüber der Primärspule (L1 bis L4) angeordnet sind,

- eine Schalteinrichtung (6 bis 10) vorhanden ist, welche die gesteuerten Wirbelstromflächen (4, S1 bis S5) jeweils einzeln nacheinander kurzschaltet und

- eine Mess- und Auswerteeinrichtung vorhanden ist, welche die Induktivitätsänderung der Primärspule (L1 bis L4) in Abhängigkeit vom Schaltzustand der Sekundärspulenanordnung (2) misst und daraus die Position des Positionsgebers (5) ermittelt.

2. Induktive Positionserkennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsgeber (5) so angeordnet ist, dass er sich entweder

1. im Bereich der von der Primärspule (L1 bis L4) abgewandten Seite der Sekundärspulenanordnung (2) oder

- im Bereich der von der Sekundärspulenanordnung (2) abgewandten Seite der Primärspule (L1 bis L4) oder

- im Bereich zwischen der Primärspule (L1 bis L4) und der Sekundärspulenanordnung (2) bewegt.

3. Induktive Positionserkennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule (L1 bis L4) und die gesteuerten Wirbelstromflächen (4, S1 bis S5) Planarspulen sind.

4. Induktive Positionserkennungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle gesteuerten Wirbelstromflächen (4, S1 bis S5) gleich sind.

5. Induktive Positionserkennungsvorrichtung nach auf Anspruch 3 rückbezogenem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bedämpfungselement (5) ein elektrisch leitfähiges Plättchen aufweist, das ungefähr die gleiche Fläche wie eine gesteuerte Wirbelstromfläche (4, S1 bis S5) abdeckt.

6. Induktive Positionserkennungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Planarspulen (L1 bis L4, 4, S1 bis S5) so gebogen und kreisförmig bzw. zumindestens kreissegmentförmig angeordnet sind, dass der Positionsgeber (5) als Winkelgeber fungieren kann.

7. Induktive Positionserkennungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Primärspulen (L1 bis L4), die nebeneinander, aber jeweils gegenüber der Sekundärspulenanordnung (2) angeordnet sind.

8. Induktive Positionserkennungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Auswerteeinrichtung so ausgelegt ist, dass sie Information über einen vom Positionsgeber (5) zurückgelegten Weg (s) bereitstellt.

9. Induktive Positionserkennungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Planarspulen (L1, 4) so gebogen und kreiszylindermantelförmig bzw. zumindestens kreiszylindermantelsegmentförmig angeordnet sind, dass der Positionsgeber (5) als kombinierter Winkel- und Weggeber fungieren kann.

10. Induktive Positionserkennungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch weitere gesteuerte Wirbelstromflächen (13, 14), die so angeordnet sind, dass sich unter Einbeziehung der erstgenannten gesteuerten Wirbelstromflächen (4) eine Sandwichstruktur aus mindestens zwei übereinander angeordneten gesteuerten Wirbelstromflächen ergibt, wobei die Schalteinrichtung (6 bis 10) so ausgelegt ist, dass sie auch die weiteren gesteuerten Wirbelstromflächen (13, 14) jeweils einzeln nacheinander kurzschaltet.

11. Induktive Positionserkennungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerten Wirbelstromflächen (4, 13, 14) in jeder einzelnen Schicht der Sandwichstruktur gleich groß sind, jedoch die Größe der gesteuerten Wirbelstromflächen (4, 13, 14) von Schicht zu Schicht der Sandwichstruktur variiert.

12. Induktive Positionserkennungsvorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen geordneten Aufbau der Sandwichstruktur derart, dass sich, ausgehend von einer Seite der Sandwichstruktur, die Größe der gesteuerten Wirbelstromflächen (4, 13, 14) von Schicht zu Schicht stets verringert.

13. Induktive Positionserkennungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung der Größe der gesteuerten Wirbelstromflächen (4, 13, 14) so angelegt ist, dass von Schicht zu Schicht jeweils eine Halbierung der Flächengröße der einzelnen gesteuerten Wirbelstromflächen (4, 13, 14) erfolgt.