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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Lesekopf insbesondere zur Längenmessung
an einem eine Maßverkörperung
aufweisenden Maßelement nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Längenmesssystem mit einem derartigen
Lesekopf.
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Bekannte
Leseköpfe,
die in Längenmesssystemen
Verwendung finden, bestehen zumeist aus einem Gehäuse und
einer darin angeordneten Sensoreinheit, wobei die Sensoreinheit
der Erfassung von Längenmassen
bzw. Positionsdaten an einem eine Maßverkörperung aufweisenden Maßelement,
beispielsweise einem Maßband,
dient. Die Sensoreinheit ist dabei starr im Gehäuse des Lesekopfes gelagert
beziehungsweise positionsfest mit dem Gehäuse verbunden, wobei der Lesekopf
zur Erfassung von Längendaten
bzw. Positionsdaten entlang des Maßelements bewegt werden kann.
In der Regel erfolgt die Abtastung der Maßverkörperung des jeweiligen Maßelements
mittels des Lesekopfes berührungslos, d.
h. der Lesekopf wird beim Abtasten der Maßverkörperung entlang des Maßelements
in einem gewissen Abstand zum Maßelement (mittels einer geeigneten
Führung)
geführt.
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Nachteilig
an den aus dem Stand der Technik bekannten Leseköpfen ist jedoch, dass eventuelle Unregelmäßigkeiten
beziehungsweise Toleranzen hinsichtlich der Form und/oder der Anordnung
des Maßelements
und der Führung
zu Schwankungen des Abstands zwischen dem Lesekopf und dem Maßelement
führen,
wenn der Lesekopf zum Abtasten der Maßverkörperung entlang des Maßelements
bewegt wird. Dies limitiert die Genauigkeit der jeweiligen Längenmessung.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Lesekopf der eingangs
genannten Art zu schaffen, welcher eine Längenmessung bzw. eine Positionsbestimmung
mit einer verbesserten Genauigkeit ermöglicht und der darüber hinaus
einfach und kostengünstig
herzustellen ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Lesekopf mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen
Ansprüchen.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Längenmesssystem
mit einem Lesekopf gemäss
der Erfindung.
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Der
erfindungsgemäße Lesekopf
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor relativ zum Gehäuse bewegbar
ist, dergestalt, dass der Sensor an einer einstöckig mit dem Gehäuse ausgebildeten
elastischen Struktur angeordnet ist.
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In
einem Längenmesssystem
mit einem eine Maßverkörperung
aufweisenden Maßelement
wird ein erfindungsgemäßer Lesekopf
zum Abtasten der Maßverkörperung
des Maßelements
in der Regel in seiner näheren
Umgebung an einer Trag- und Führungskonstruktion
(im Folgenden „Umgebungskonstruktion") befestigt, welche
den Lesekopf einerseits trägt
und andererseits führt,
wenn der Lesekopf zum Abtasten der Maßverkörperung entlang des Maßelements
bewegt wird.
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Durch
die elastische Anordnung des Sensors kann sichergestellt werden,
dass beim Abtasten der Maßverkörperung
jeweils Unregelmäßigkeiten beziehungsweise
Toleranzen hinsichtlich der Form und/oder der Anordnung des Maß elements
und der Umgebungskonstruktion und somit Schwankungen des Abstands
zwischen dem Lesekopf und dem Maßelement ausgeglichen werden
können,
zumal der Sensor, gegebenenfalls gegen eine von der elastischen
Struktur erzeugte Rückstellkraft,
aus einer vorbestimmten Lage ausgelenkt werden kann.
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Die
elastische Struktur kann beispielsweise aus ein oder mehreren Federelementen
gebildet sein. Die elastische Struktur kann beispielsweise als eine
in das Gehäuse
integrierte beziehungsweise als eine mit dem Gehäuse einstückig hergestellte Parallelführung ausgebildet
sein, beispielsweise mittels zwei Federelementen, die in Form eines
Parallelogramms angeordnet sind und seitliche Auslenkungen ermöglichen
(durch Verbiegen der beiden Federelemente). Dabei kann die Parallelführung derart
ausgebildet sein, dass die jeweiligen Federelemente bei korrekt
angeordnetem Lesekopf parallel zum Maßelement beziehungsweise zur
Maßverkörperung
ausgerichtet sind.
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Das
jeweilige Maßelement
kann als Maßverkörperung
beispielsweise zwei magnetisierte Spuren umfassen: eine Inkrementalspur
mit einer äquidistanten
Anordnung von magnetisierten Bereichen mit jeweils unterschiedlicher
Magnetisierung und eine Referenzspur, welche die Bestimmung einer
absoluten Position ermöglicht
und beispielsweise mindestens eine Referenzmarke (in Form eines
magnetisierten Bereichs zur Kennzeichnung einer bestimmten Position)
oder mehrere abstandscodierte Marken umfassen kann. Bei einer Relativbewegung
zwischen Lesekopf und Maßverkörperung
kann die lokale Änderung
des magnetischen Feldes gemessen werden, beispielsweise mittels
eines im Lesekopf angeordneten magnetoresistiven Sensors (durch
eine Messung der jeweiligen Änderungen
des elektrischen Widerstandes als Funktion der Position des Lesekopfes). Der
jeweilige Sensor erzeugt beim Abtasten der Maßverkörperung jeweils elektrische
Signale, die mittels einer Auswerteelektronik ausgewertet werden können, um
die jeweilige Position des Lesekopfes bezüglich des Maß elements
oder die Länge
eines Weges, den der Lesekopf beim Abtasten der Maßverkörperung
entlang des Maßelements
zurückgelegt
hat, zu bestimmen.
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Bei
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Sensor in einem Sensorgehäuse angeordnet
ist, wobei im Sensorgehäuse
auch die Auswerteelektronik oder Teile der Auswerteelektronik oder
andere elektronische Einrichtungen (beispielsweise zur Datenübertragung)
angeordnet sein können.
Der Sensor sowie die elektronischen Komponenten können beispielsweise
gemeinsam auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB-Element) angeordnet
sein.
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Gegebenenfalls
kann auf der der Maßverkörperung
zugewandten Seite des Sensorgehäuses zwischen
dem Sensor und der Maßverkörperung eine
Schutzschicht für
den Sensor, beispielsweise eine Folie oder dergleichen, angeordnet
sein. Die Schutzschicht ist in jedem Fall so auszulegen, dass die
Funktion des Sensors beim Abtasten der Maßverkörperung nicht bzw. möglichst
wenig beeinträchtigt wird.
Zu diesem Zweck sollte die Schutzschicht möglich dünn ausgebildet sein, beispielsweise
mit einer Dicke von ca. 50 μm,
und bevorzugt aus einem nicht magnetischen Material gefertigt sein.
Der Sensor befindet sich in diesem Fall in einem relativen Abstand zur
Maßverkörperung.
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In
einem Längenmesssystem
mit einem eine Maßverkörperung
aufweisenden Maßelement
kann ein erfindungsgemäßer Lesekopf
zum Abtasten der Maßverkörperung
des Maßelements
so verwendet werden, dass der Lesekopf zum Abtasten der Maßverkörperung
entlang des Maßelements
bewegbar ist und dabei derart geführt ist, dass der Lesekopf
das Maßelement
berührt.
Dabei kann der Sensor in einem konstanten Abstand zum Maßelement
gehalten sein, wobei eine Oberfläche
des Sensors parallel zum Maßelement
ausgerichtet sein kann.
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Um
zu gewährleisten,
dass der Lesekopf das Maßelement
ständig
berührt,
kann vorgesehen sein, dass die elastische Struktur Vorspannkräfte relativ zum
Maß element
ausübt,
dergestalt, dass der Sensor beziehungsweise das Sensorgehäuse während des
Messvorgangs zumindest bereichsweise berührend über das Maßelement geführt wird.
Die Vorspannkräfte
sind dabei so gewählt,
dass der Anpressdruck des Sensors beziehungsweise des Sensorgehäuses an
das Maßelement
eine zuverlässige Abtastung
der Maßverkörperung
während
des gesamten Verfahrweges des Lesekopfes gewährleistet, selbst wenn der
Abstand des Gehäuses
des Lesekopfes innerhalb vorgegebener Grenzen (zwischen einem Minimalwert
und einem Maximalwert) variieren sollte, wenn der Lesekopf zum Abtasten
der Maßverkörperung
entlang des Maßelements
bewegt wird. Dadurch, dass die elastische Struktur vorgespannt ist,
ist jeweils gewährleistet,
dass der Sensor senkrecht zu der Verfahrrichtung des Lesekopfes
bewegt wird, um Schwankungen des Abstands zwischen dem Gehäuse des
Lesekopfes und dem Maßelement beim
Abtasten der Maßverkörperung
auszugleichen. Auf diese Weise können
Ungenauigkeiten hinsichtlich der Form und/oder der Anordnung des
Maßelements
und der Umgebungskonstruktion ausgeglichen werden.
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Um
einen konstanten Abstand des Sensors und/oder des Sensorgehäuses im
Bezug auf das Maßelement
zu gewährleisten,
kann vorgesehen sein, dass im Bereich des Sensors und/oder des Sensorgehäuses Gleitstücke angeordnet
sind, die zum einen die relative Lage des Sensors und/oder des Sensorgehäuses zum
Maßelement
bestimmen, also im Wesentlichen als Abstandshalter dienen, und darüber hinaus
eine Abnutzung beziehungsweise Beschädigung des Sensors und/oder
Sensorgehäuses verhindern
können.
Die Gleitstücke
sind bevorzugt lösbar
am Sensorgehäuse
befestigt und können
somit im Bedarfsfall, beispielsweise bei Abnutzung oder Abstandsänderung,
ausgetauscht werden. Die Gleitstücke
können
durch eine Vorspannkraft der elastischen Struktur gegen das Maßelement
gepresst werden. Die Gleitstücke
können
beispielsweise als lasergeschweißte Körper aus Keramik oder Gleitbronze gebildet
sein.
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Eine
weitere Ausführungsform
zeichnet sich dadurch aus, dass am Gehäuse des Lesekopfes und/oder
an der elastischen Struktur eine Einstellhilfe vorgesehen ist, mit
der die relative Lage, welche die elastische Struktur bzw. der Sensor
beim Abtasten der Maßverkörperung
in Bezug auf das Gehäuse
des Lesekopfes einnimmt, kontrollierbar ist und die jeweilige Vorspannung,
mit der die elastische Struktur den Sensor gegen das Maßelement
drückt,
auf einen vorbestimmten Wert gebracht werden kann. Durch die Einstellhilfe
kann die jeweilige Auslenkung des Sensors und insbesondere die größten Abweichungen des
Sensors von einer Normallage bezüglich
des Gehäuses
des Lesekopfes während
einer Bewegung des Lesekopfes festgestellt werden und der Lesekopf entsprechend
(an der Umgebungskonstruktion) so befestigt bzw. eingestellt werden,
dass dem Sensor genügend
Federweg für
eine sichere Anpressung des Sensors an das Maßelement zur Verfügung steht.
Als eine derartige Einstellhilfe dient eine Messeinrichtung zum
Ermitteln der relativen Lage des Sensors und/oder der elastischen
Struktur bezüglich des
Gehäuses.
Diese Messeinrichtung kann im Gehäuse angeordnet bzw. in das
Gehäuse
integriert sein und kann auf einfache Weise realisiert werden, beispielsweise
in Form einer Markierung und/oder einer Einkerbung und/oder eines
Steges und/oder eines Längenmasses
(Maßstabs)
oder anderen Mitteln, die eine Veränderung der räumlichen
Lage des Sensors oder der elastischen Struktur relativ zum Gehäuse des
Lesekopfes oder relativ zu einer anderen Referenzposition anzeigen
bzw. messtechnisch erfassen.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
ist dadurch ausgezeichnet, dass der Lesekopf beziehungsweise das
Gehäuse
und die elastische Struktur einstöckig aus Kunststoff, insbesondere
im Kunststoffspritzgussverfahren, hergestellt werden kann. Einstückig bedeutet
hierbei, dass die elastische Struktur zwar beweglich, insbesondere
federnd, am Gehäuse
angeordnet beziehungsweise in das Gehäuse integriert ist, jedoch
fest beziehungsweise unlösbar
mit dem Gehäuse
verbunden ist. Es ist also denkbar, den Lesekopf als komplettes
Bauteil im Kunststoffspritzgussverfahren herzustellen, was ebenfalls
beinhalten kann, dass der Sensor beziehungsweise das Sensorgehäuse sowie
sämtliche elektronischen
Zusatzkomponenten (PCB, Anschluss- und/oder Auswerteelektronik und
gegebenenfalls andere elektronische Komponenten) während der
Fertigung des Gehäuses
in dieses integriert beziehungsweise mit Kunststoff umspritzt werden.
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Ferner
können
im Gehäuse
Ausnehmungen für
Befestigungsmittel, insbesondere Befestigungsschrauben oder -bolzen,
vorgesehen sein, mit denen der Lesekopf lösbar an eine Umgebungskonstruktion befestigbar
ist. Die Ausnehmungen können
als einfache kreisrunde Öffnung
oder aber als Langloch ausgebildet sein. Die Größe beziehungsweise Länge der Ausnehmungen
sollte in jedem Falle so bemessen sein, dass eine zumindest geringfügige Verschiebung
des Lesekopfes zur Justierung beziehungsweise Ausrichtung des Lesekopfes
in Bezug auf das Maßelement
gewährleistet
werden kann.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Lesekopfes in einer perspektivischen
Darstellung;
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2 den
Lesekopf gemäss 1 in
einer vergrößerten Einzeldarstellung;
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3 ein
Bauteil (Leiterplatte) des Lesekopfes in schematischer Einzeldarstellung;
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4 das
Bauteil (Leiterplatte) gemäss 3 in
einem weiteren Verbauungsschritt.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Längenmesssystems mit einem Lesekopf 1 und
einem Maßelement 2 (beispielsweise
in Form eines Maßbands)
in einer perspektivischen Darstellung. Der Lesekopf 1 besteht
u. a. aus einem Gehäuse 3 und
einer am Gehäuse 3 angeordneten
Sensoreinheit, wobei die Sensoreinheit u. a. einen im Sensorgehäuse 5 angeordneten
Sensor 4 aufweist. Das Maßelement 2 weist eine
mit Hilfe des Sensors 4 abtastbare Maßverkörperung auf, welche allerdings
in den Figuren nicht dargestellt ist. Der Sensor 4 und die
dazugehörige
Elektronik 6 zur Verarbeitung von Sensorsignalen sind auf
einer Leiterplatte 7 angeordnet, welche im Zusammenhang
mit 3 und 4 noch detaillierter erläutert wird.
Wie 1 zeigt, ist die Leiterplatte 7 fest
in das Gehäuse 3 des
Lesekopfes 1 beziehungsweise in das Sensorgehäuse 5 integriert.
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Das
Gehäuse 3 weist
eine einstückig
mit dem Gehäuse 3 ausgebildete
elastische Struktur 8 auf, an der das Sensorgehäuse 5 und
der Sensor 4 angeordnet sind, wodurch das Sensorgehäuse 5 und der
Sensor 4 relativ zum Gehäuse 3 bewegbar sind. Die
elastische Struktur 8 ist in der Art einer Parallelführung ausgebildet
und hat im vorliegenden Fall die Form eines Parallelogramms. Die
elastische Struktur 8 weist unter anderem zwei einstückig mit
dem Gehäuse 3 ausgebildete
Federstege 9 und 10 auf, welche im Wesentlichen
parallel zum Maßelement 2 ausgerichtet
sind. Die Federstege 9 und 10 sind derart deformierbar
(durch Biegungen bezüglich
eines mit dem Gehäuse 3 fest
verbundenen Endes des jeweiligen Federstegs 9 bzw. 10),
dass das Sensorgehäuse 5 und
der Sensor 4 senkrecht zum Maßelement 2 auslenkbar
sind.
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„Einstückig" bedeutet in diesem
Zusammenhang, dass das Gehäuse 3 sowie
die elastische Struktur 8 gemeinsam als eine Einheit gefertigt
werden, beispielsweise als ein Kunststoffteil, welches mit einem
Spritzgussverfahren hergestellt werden kann. Beim Kunststoffspritzgießen können auch
gleichzeitig das Gehäuse 3 hergestellt
und in demselben Arbeitsschritt das Sensorgehäuse 5 sowie die Leiterplatte 7 mit
den darauf angeordneten elektronischen Bauteilen in das Gehäuse 3 integriert
beziehungsweise umspritzt und somit befestigt werden.
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Es
ist natürlich
auch denkbar, die Sensoreinheit und/oder die Leiterplatte lösbar am
Gehäuse
beziehungsweise an der elastischen Struktur zu befestigen.
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2 zeigt
den Lesekopf 1 gemäss 1 in einer
vergrößerten Einzeldarstellung.
Der Lesekopf 1 kann über
die beiden Befestigungsmittel 11, 12 an eine „Umgebungskonstruktion" befestigt werden,
beispielsweise an eine Vorrichtung, welche entlang des Maßelements 2 bewegbar
ist (in den 1-4 ist keine
derartige Umgebungskonstruktion dargestellt).
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Gut
zu erkennen ist der gegossene beziehungsweise gespritzte Mittelsteg 13,
der im offenen Bereich der elastischen Struktur 8 in Längsrichtung zwischen
den beiden Federstegen 9 und 10 verläuft. Der
Mittelsteg 13 umhüllt
sowohl das Sensorgehäuse 5 als
auch Teile der Leiterplatte 7. Ebenfalls gut zu erkennen
ist die Ausnehmung 14 im unteren Federsteg 10,
durch die das Sensorgehäuse 5 verläuft. Die elastische
Struktur 8 ist in ihrem oberen Bereich ferner mit einem
Abstandshalter 15 versehen, dessen Form komplementär zu einer
im Gehäuse
ausgebildeten Einkerbung 16 ausgebildet ist, wobei der
Abstandshalter 15 eine Auslenkung der elastischen Struktur 8 limitiert,
sobald der Abstandshalter 15 in die Einkerbung 16 trifft.
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Auf
der Stirnseite 17 der elastischen Struktur 8 ist
eine „Einstellhilfe" in Form eines Steges 18 angeordnet.
Die momentane Stellung des Steges 18 bezüglich der
Seitenwände
einer im Gehäuse 3 ausgebildeten
und bezüglich
des Gehäuses 3 ortsfesten Nut 19 zeigt
jeweils die momentane Lage des Sensors 4 bzw. der elastischen
Struktur 8 relativ zum Gehäuse 3 an. Die Seitenwände der
Nut 19 markieren dabei extreme Stellungen, bis zu denen
die elastische Struktur 8 maximal seitlich nach oben oder
unten (d. h. senkrecht zum Maßelement 2)
ausge lenkt werden darf. Wird der Lesekopf 1 zum Abtasten
der Maßverkörperung
des Maßelements 2 längs einer Bahn
entlang des Maßelements 1 bewegt
bzw. geführt
und ändert
sich dabei der Abstand zwischen dem Gehäuse 3 und dem Maßelement 2,
so bewegt sich der Steg 18 entsprechend der jeweiligen
Abstandsänderung
in der Nut 19 um eine bestimmte Distanz auf oder ab. Dadurch
wird ein quantitatives Maß dafür gewonnen,
um welche Distanz der jeweilige Abstand des Gehäuses 3 bei der Bewegung
entlang des Maßelements 2 schwankt.
Aus dieser Information kann geschlossen werden, ob der Lesekopf 1 innerhalb
vorgegebener Toleranzen geführt
ist und dementsprechend innerhalb vorgegebener Toleranzen bezüglich der
Umgebungskonstruktion angeordnet ist. Im Idealfall sollte der Lesekopf
bezüglich
der Umgebungskonstruktion so angeordnet sein, dass der Steg 18 sich
immer in etwa in der Mitte zwischen den Seitenwänden der Nut 19 befindet,
wenn der Lesekopf 1 entlang des Malelements 2 bewegt
wird. Durch Beobachtung der momentanen Lage des Stegs ist somit
mit bloßem
Auge kontrollierbar, ob er Lesekopf 1 des Längsmesssystems
innerhalb der vorgegebenen Toleranzen angeordnet bzw. geführt ist.
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Wie 2 zeigt,
sind im unteren Bereich des Sensorgehäuses 5, im Wesentlichen
rechts und links neben dem (in 2 nicht
erkennbaren) Sensor 4, Gleitstücke 20 und 21 angeordnet,
die gewährleisten, dass
sich der Sensor 4 während
des Abtastens in einem konstanten Abstand zum Maßelement 2 befindet.
Der Lesekopf 1 ist in jedem Fall so an die Umgebungskonstruktion
zu befestigen, dass die elastische Struktur 8 die Gleitstücke 20 und 21 aufgrund
der Vorspannung der elastischen Struktur 8 ständig gegen
das Maßelement 2 drückt.
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3 zeigt
die Leiterplatte 7 in einer schematischen perspektivischen
Einzeldarstellung. Ebenfalls schematisch dargestellt ist ein Stück eines
Kabelanschlussteils 22. Die Leiterplatte 7 ist
im vorliegenden Fall als gedruckte Schaltung auf einem flexiblen
Trägermaterial
realisiert (Flexprint-Technik) und weist mehrere flexible und jeweils
mehrere Leiterbahnen umfassende Abschnitte und drei im Wesentlichen
ebene Anschlussfelder A1, A2 und A3 mit elektrischen Anschlüssen auf,
wobei auf den Anschlussfeldern A1, A2 und A3 u. a. der Sensor 4 und die
Elektronik 6 angeordnet und mit den jeweiligen elektrischen
Anschlüssen
auf den Anschlussfeldern A1, A2, A3 verbunden sind. Im vorliegenden
Fall übernimmt
die Elektronik 6 eine Auswertung der Sensorsignale zur
Bestimmung der jeweiligen Position des Lesekopfes und/oder des zurückgelegten
Weges und gegebenenfalls einen Austausch von Daten mit einer externen
Steuerung (nicht dargestellt).
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4 zeigt
die Leiterplatte 7 in einem weiteren Verbauungsschritt.
Die Anschlussfelder A1 und A2 sind in das Sensorgehäuse 5 integriert.
Das Anschlussfeld A3 befindet sich weiterhin außerhalb des Sensorgehäuses 5.
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Alle
offenbarten Merkmale sind (für
sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird
hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen
(Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch
zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender
Anmeldung mit aufzunehmen.
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- 1
- Lesekopf
- 2
- Maßelement
- 3
- Gehäuse
- 4
- Sensor
- 5
- Sensorgehäuse
- 6
- Elektronik
- 7
- Leiterplatte
- 8
- elastische
Struktur
- 9
- Federsteg
- 10
- Federsteg
- 11
- Befestigungsmittel
- 12
- Befestigungsmittel
- 13
- Mittelsteg
- 14
- Ausnehmung
- 15
- Anschlag
- 16
- Einkerbung
- 17
- Stirnseite
- 18
- Messeinrichtung
zum Ermitteln der relativen Lage des Sensors und/oder der elastischen Struktur
bezüglich
des Gehäuses
- 19
- Nut
- 20
- Gleitstück
- 21
- Gleitstück
- 22
- Kabelanschlussteil
- A1
- Anschlussfeld
- A2
- Anschlussfeld
- A3
- Anschlussfeld