DE2721720A1 - Praezisions-messwandler fuer positionsmessungen - Google Patents

Praezisions-messwandler fuer positionsmessungen

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DE2721720A1 DE19772721720 DE2721720A DE2721720A1 DE 2721720 A1 DE2721720 A1 DE 2721720A1 DE 19772721720 DE19772721720 DE 19772721720 DE 2721720 A DE2721720 A DE 2721720A DE 2721720 A1 DE2721720 A1 DE 2721720A1
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Description

PATENTANWÄLTE D-I BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 08 D-8 MÜNCHEN 99 ■ WIDENMAYERSTRASSE 40
Olivetti Controllo Numerico
S. ρ . A.
BERLIN: DIPL.-ΙΝβ. R. MÜLLKR-BÖRNIN
MÜNCHEN: DIPL.-IN3. HANS-HKtNRICH WKY OIPL.-ΙΝβ. KKKKHARD KÖRNKR
Berlin, den 12. Mai 1977
Präzisions-Meßwandler für Positionsmessungen
(Italien, Nr. 6821O-A/76 vom 18. Mai 1976)
10 Seiten Beschreibung
8 Patentansprüche
2 Blatt Zeichnungen
sch - 27 139 709848/0965
BERLIN: TELEFON (O3O) 8319088 MÜNCHEN: TELEFON (019) 99ββ·β KABEL: PROPINDUS -TELEX 01 84Ο67 KABEL: PROPlNDUS · TELEX 05 94944
Die Erfindung betrifft einen Präzisions-Meßwandler für Positionsmessungen mit einem Paar relativ zueinander beweglicher Träger, die mit einer elektrischen Wicklung versehen sind, die aus in gleichen Abständen angeordneten Leitern besteht, welche in Serie geschaltet und auf dem jeweiligen Träger vorgesehen sind, wobei die Wicklung des einen Trägers mindestens zwei Gruppen von Leitern umfaßt, die zwei Kofunktionen entsprechen und miteinander verbunden sind,sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Derartige Meßwandler werden in numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen und als Längendetektor für hochpräzise Verarbeitungsvorgänge benutzt.Bei derartigen Meßwandlern, die im allgemeinen ein Paar relativ zueinander beweglicher Träger aufweisen, welche jeweils mit einer aus einer gedruckten Schaltung bestehenden Wicklung versehen sind, ist eine große Genauigkeit der gedruckten Schaltungen und der Träger erforderlich. Die letzteren dürfen sich nicht im Laufe der Zeit verformen und auch die Kurzzeit-Veränderungen, die durch Schwankungen externer Veränderlicher hervorgerufen werden, wie beispielsweise Temperatur, Feuchtigkeit etc., müssen bekannt sein.
Da diejenigen Maschinenteile, an denen die Meßwandler befestigt werden, üblicherweise aus Gußeisen bestehen, müssen die Träger im allgemeinen aus Stahl, Aluminium oder Glas gefertigt sein, damit die Verformungen der Träger mit denjenigen dieser Maschinenteile vergleichbar sind, wobei sie von dem Leiter durch Isolation getrennt sind. Auf dem Substrat, das durch den Träger und die Isolation gebildet wird, befindet sich eine Kupferschicht, aus der die Leiter der Wicklung mittels photochemischer Ätzung erzeugt werden, so daß die Leiter in äußerst genauer Weise auf dem Träger angeordnet sind.
Es ist bekannt, daß die Wicklung auf einem der beiden Träger
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des Meßwandlers aus zwei Leitergruppen bestehen kann, die jeweils der Sinus- und der Kosinusfunktion zugeordnet und in der Weise verbunden sind, daß Uberkreuzungen der Leiter auftreten müssen. Es ist daher unmöglich, diese Wicklung auf einer einzigen Fläche ohne andere Verbindungen mittels einer gedruckten Schaltung herzustellen. Bei den bekannten Schaltungen werden diese Verbindungen im allgemeinen durch das Anlöten von isolierten Hilfsleiterverbindungen an bestimmte Stützpunkte oder Inselbereiche erzeugt, wobei diese Leiter in geeigneten Rillen des Trägers verlaufen. Die Anzahl der Lötstellen ist dabei im allgemeinen groß und die Herstellung der Meßwandler entsprechend kostenaufwendig.
Es sind bereits Meßwandler für Positionsmessungen vorgeschlagen worden, bei denen die Wicklung, welche zu einem der beiden Teile gehört, durch eine mehrschichtige Struktur erzeugt wird. Bei derartigen Meßwandlern werden die aktiven Leiter der Wicklung - beispielsweise des Läufers - je zum Teil auf die beiden Flächen einer isolierenden Platine gedruckt. Diese Meßwandler weisen jedoch den Nachteil auf, daß die beiden Teile der Wicklung sich in unterschiedlichem Abstand von der Wicklung des Maßstabs befinden, so daß Signale unterschiedlicher Intensität erzeugt werden, welche Meßfehler hervorrufen. Dazu kommt, daß derjenige Teil der Schaltung, welcher sich auf der Platinenfläche befindet, die auf den Träger geklebt wird, bei dem Klebevorgang einer Deformation unterworfen wird, da dieser im allgemeinen nach einer Erhitzung unter Druck erfolgt. Schließlich ist es auch äußerst schwierig, eine hinreichend genaue Anordnung der gedruckten Schaltung zu erhalten, wenn die mehrschichtige Struktur auf den Träger geklebt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Präzisions-Meßwandler anzugeben, bei dem die gelöteten Verbindungen der einzelnen Leiter entfallen und die Leiter in Bezug auf den Träger genau angeordnet sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beide Gruppen von Leitern auf eine Fläche eines menrschichtigen Elements aufgedruckt sind, wobei die andere Fläche dieses Elements Hilfsleiter aufweist, um die Leiter der beiden Gruppen in Serie zu schalten.
Ein Verfahren zur Herstellung derartiger Meßwandler besteht darin, daß das mehrschichtige Element auf den entsprechenden Träger aufgeklebt wird, nachdem die Hilfsleiter aufgedruckt worden sind, wobei die Gruppen von Leitern auf das mehrschichtige Element aufgedruckt werden, nachdem dieses aufgeklebt wurde.
Durch die erfindugnsgemäße Lösung wird erreicht, daß die aktiven Leiter der Wicklung während des Klebevorgangs nicht verformt werden und in Bezug auf den Träger örtlich genau ausgerichtet sind.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnung nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ubersichtsdarstellung, teilweise geschnitten, eines für lineare Positionsmessungen geeigneten Präzisions-Meßwandlers gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine Schaltung der Wicklung des Meßwandlers gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Fläche
der Platine, welche die Wicklung gemäß Fig. 2 enthält,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der anderen
Fläche der Platine mit den Hilfsleitern der
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Wicklung gemäß Fig. 2 und
Fig. 5 eine Schnittdarstellung der Platine entsprechend den Fign. 3 und 4.
Im Folgenden wird die Erfindung am Beispiel eines linearen Meßwandlers beschrieben. Sie kann jedoch entsprechend auf Dreh-Meßwandler angewendet werden.
Der in Fig. 1 dargestellte Maßstab 60 des Präzisions-Meßwandlers umfaßt eine elektrische Wicklung 61, welche durch eine Photo-Ätztechnik aus einem leitenden Band oder Streifen auf einer isolierenden Schicht eines Trägers (elastisches Federstahl-Band 62) erzeugt wurde, der zwischen zwei Endblöcken 63 und 64 eingespannt ist. Diese sind an demjenigen Maschinenteil befestigt, dessen Position ermittelt werden soll, beispielsweise einem Tisch 16 einer Werkzeugmaschine oder eines Längendetektors.
Der Meßwandler weist darüber hinaus einen Läufer 17 auf, welcher eine Anordnung 18 umfaßt, die mittels Schrauben auf einem Teil 19 der Maschine, das im Bezug auf den Tisch 16 verschieblich ist, angeordnet ist, wie beispielsweise der Spindelkopf einer Werkzeugmaschine oder der Fühler eines Längendetektors. An der Anordnung 18 ist eine rechteckige Stahlplatte 21 befestigt, an deren Boden eine zweite elektrische Wicklung 22 befestigt ist.
Die Wicklung 61 des Maßstabs besteht in bekannter Weise aus einer Anzahl von Querleitern 23, die in gleichen Abständen angebracht und über ihre beiden Enden abwechselnd mit Längsleitern 24 so verbunden sind, daß sie Windungen in Form eines Flechtbandmusters bilden. Da die Wicklung 61 keine Leiterüberkreuzungen enthält, kann sie mittels Photoätzung in einer einzigen Schicht auf dem Band 62 erzeugt werden.
Die elektrische Wicklung 22 des Läufers 17 besteht aus einer
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Anzahl von im allgemeinen in gleichen Abständen angeordneten Querleitern (Fig. 2), welche paarweise durch Längsleiter 27 so verbunden sind, daß sie U-förmige Wicklungen bilden, die in Serie geschaltet sind. Die Windungen der Wicklung 22 sind in zwei Gruppen unterteilt, welche komplementäre Funktionen bilden, die von der Phasenlage der elektrischen Versorgungsspannung abhängig ist. Im Normalfall beträgt die Phasendifferenz 90° und die beiden Funktionen sind die Sinus- und die Kosinusfunktion, deren Phasenwinkel demjenigen zwischen den Windungen der Wicklung 61 und den Windungen der Wicklung 22 entspricht.
Die Querleiter 23 des Maßstabs 60 und die Querleiter des Läufers 17 (Fign. 1 und 3), welche die gegenseitige Induktion in Abhängigkeit von der Position des Läufers 17 auf dem Maßstab 60 bestimmen, werden aktive Leiter genannt. Die verbindenden Längsleiter 24 und 27 erzeugen keine Induktion, so daß sie als passiv angesehen werden können.
Die Wicklung 22 (Fig. 2) ist in zwei Teile unterteilt - linke und rechte Teile, welche symmetrisch zueinander angeordnet sind. Querleiter 26 der beiden symmetrischen Teile der Wicklung 22 sind von außen nach innen aufsteigend mit den Ziffern 1 bis 14 sowie N-1 und N versehen. In jedem der Teile wechseln die Wicklungsteile für Sinus- und Kosinusfunktionen ab. Zur Verdeutlichung ist der Boden der U-förmigen Teile in Fig. 2 für die beiden Wicklungen versetzt dargestellt. Bei der tatsächlichen Ausführung sind sie ausgerichtet, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist.
Die Windungen der beiden Funktionen sind über Hilfsleiter 28 entsprechend der Darstellung gemäß Fig. 2 miteinander verbunden. Im einzelnen erfordert die Sinusfunktion die Verbindung der Leiter 2-6, 5-9, 10-14 usw. über die Hilfsleiter 28, während die Kosinusfunktion die Verbindung der Leiter 4-8, 7-11, 12-16 usw. erfordert.
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Das rechte Ende des Leiters 1 der Sinusfunktion ist mittels eines Leiters 30 an einen Anschlußpunkt 51 angeschlossen. Das linke Ende des Leiters 1 der selben Funktion ist andererseits über eine Verbindung 31 an die vorletzte Wicklung N-1 des rechten Teils der selben Funktion angeschlossen. Die letzte Windung N des rechten Teils ist einerseits über einen Leiter 32 mit der letzten Windung N des linken Teils und andererseits mittels eines Leiters 33 mit einem Anschlußpunkt 52 verbunden. Auf diese Weise sind die beiden Teile der Sinusfunktion in Serie geschaltet.
Die Endleiter 3 der Kosinusfunktion sind mittels zweier Anschlußleiter 34 und 35 an zwei Anschlußpunkte 53 und 54 angeschlossen, während ein Leiter 35' den linken Teil der Kosinusfunktion mit dem rechten Teil der selben Funktion in Serie schaltet. Die vier Anschlußpunkte 51 und 52 sind wiederum an die Versorgung des Meßwandlers angeschlossen.
Es ist aus der Darstellung von Fig. 2 klar ersichtlich, daß sowohl innerhalb der Grenzen einer Funktion als auch zwischen den beiden Funktionen Überschneidungen zwischen den Seiten 28 und 30 bis 35 bei einer gedruckten Schaltung auf nur einer Fläche unvermeidlich sind. Es ist jedoch möglich, die Wicklung 22 durch die Technik gedruckter Schaltungen auf zwei verschiedenen Oberflächen zu erzeugen.
Die aktiven Querleiter 26 und die passiven Längsleiter 27 der Sinus- und der Kosinusfunktion sind beide auf eine Fläche 36 (Fig. 3) einer isolierenden Platine aufgedruckt, welche aus einer rechteckigen Schicht eines wärmeleitenden Isoliermaterials besteht, welches Glasfiber-Material enthält. Die Hilfsleiter 28 (Fig. 4) sind zum einen Teil auf die Fläche 36 und zum anderen Teil auf eine weitere obere Fläche 38 der Platine 37 aufgedruckt. Die Leiter 35', 30 und 31 (Fig. 3) sind auf die Fläche 36 und die Leiter 32 bis 35 auf die Fläche 38 der Platine 37 aufgedruckt.
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Die Leiter 26 und 27 auf der Fläche 36 sind mit der Leitern 28, 34 und 35 auf der Fläche 38 mittels einer Anzahl von metallisierten Löchern 39 (Fign. 3 und 4) verbunden, die in der Platine 37 in der Nähe einer Kante 40 angeordnet sind. Die Anschlußleiter 34 und 35 sind darüber hinaus an zwei leitende Inselbereiche 43 und 44, die auf die Fläche 38 aufgedruckt sind, angeschlossen, während die Leiter 30 bis 33 mittels zweier metallisierter Löcher 4 5 und 46 mit zwei anderen Inselbereichen 41 und 42 verbunden sind, welche auf die selbe Fläche 38 der Platine 37 aufgedruckt sind. Jeder der Inselbereiche 41 bis 44 ist mit entsprechenden Inselbereichen 41', 42', die auf die Fläche 36 gedruckt sind, mittels eines entsprechenden metallisierten Loches verbunden, das jeweils einen zugeordneten Anschluß bildet und mit den entsprechenden Bezugszeichen 51 bis 54 gemäß Fig. 2 versehen ist.Im einzelnen wird jeder Anschluß dadurch erzeugt, daß in jedes Loch ein goldplattierter Stift eingesetzt wird, um daran den entsprechenden Leiter der Versorgungsschaltung des Läufers 17 anzuschließen.
Die Platine 37 ist auf der Platte 31 (Fig. 5) auf der Fläche 38 festgeklebt, welche die Hilfsleiter 28 aufweist, so daß die aktiven Leiter 26 alle der Wicklung 61 des Maßstabs 60 zugewandt sind und sich in einem gleichmäßigen Abstand von diesem befinden. Da die Platine 37 infolge von Temperatur- und Druckschwankungen verformt werden kann, ist es notwendig, diese auf der Platte 21 festzukleben. Dieser Vorgang erfolgt nach dem Drucken der Hilfsleiter 28, 32, 34 und 35, sowie der Inseln 41 bis 44 auf die Fläche 38 und dem Drucken der Leiter 26, 27, 28, 30 und 31 , sowie der Inseln 41* bis 44* auf die Fläche 36.
Im einzelnen wird die Herstellung des Läufers 17 in folgen der Weise vorgenommen. Zunächst wird die beidseitig mit Kupfer kaschierte Platine 37 bearbeitet, um alle Löcher 39, 44, 46 sowie 51 bis 54 zusammen mit anderen Löchern zu er-
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zeugen, welche für Bezugs- und Montagezwecke nützlich sein können. Daraufhin erfolgt eine chemische Kupferplatierung an den beiden Flächen der Platine 37. Auf diese Weise werden auch die Löcher mit Kupfer überzogen, so daß eine Durchkontaktierung zur Verbindung der beiden Flächen der Platine erfolgt. Die Dicke des Kupfers auf den Flächen 36 und 38 wird auf diese Weise heraufgesetzt bis eine Kupferschicht ausreichender Dicke erzeugt ist, die in der Regel zwischen 0,035 und 0,07 mm liegt.
Mittels einer Photoätz-Technik für gedruckte Schaltungen werden nur die Hilfsleiter auf der Fläche 38, welche der Platte 21 zugewandt sind, geätzt. Dieser an sich bekannte Vorgang umfaßt das Reinigen der Kupferschicht, das Aufsprühen einer Photoresist-Schicht, die Kontaktphotographie, entwickeln, retuschieren und ätzen. Während dieses Vorgangs müssen die andere Fläche 36 der Platine 37 und auch die Löcher so geschützt werden, daß der Film auf dieser Fläche aufrechterhalten und die Durchkontaktierungen intakt bleiben.
Die Oberfläche des Kupfers auf der Fläche 38 wird anschließend mit einer oxidierenden Substanz behandelt, um diese Fläche aufzurauhen. Es wird eine vollständige Reinigung der Fläche 38 und der Fläche der Platte 21, auf die sie aufgeklebt werden soll, ausgeführt. Anschließend wird zwischen die Platte 21 und die Fläche 38 der Platine 37 ein Trockenkleber oder Verbindungsfilm 59 angebracht, beispielsweise ein Film aus thermisch aushärtendem Harz mit einer Dicke zwischen 0,05 und 0,1 mm des Typs, wie er von der Firma Minnesota Mining and Manufacturing Company unter der Bezeichnung "Scotch-Weld Brand Bonding Film AF-13" angeboten wird. Das "sandwich" wird durch ein geeignetes Werkzeug verbunden, welches mit Lokalisierungsstiften für die Platte und die Platine 37 versehen ist, um eine genaue Anordnung der letzteren auf dem Läufer 17 zu bewirken. Das "sandwich"
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y° -
wird jetzt mittels einer geeigneten Presse einem vorgegebenen Druck ausgesetzt und auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt. Im einzelnen erfordert diese Behandlung - entsprechend dem verwendeten Kleber oder Verbindungsmittel - einen Druck von 20 bis 30 kg/cm* und eine Temperatur von 120 bis 1700C für eine Zeitdauer von 0,5 bis 3 Stunden, wobei die Zeiten, die notwendig sind, um diese Temperatur zu erreichen und für das anschließende Abkühlen nicht mitgerechnet sind.
Die Platine 37, die auf diese Weise auf die Platte 21 aufgeklebt ist, das "sandwich", wird einer Entspannungsbehandlung unterzogen, die aus einer Anzahl von Aufheizungs- und Abkühlungszyklen zwischen Raumtemperatur und ungefähr 750C ohne Aufwendung von Druck besteht.
Die freie Fläche 36 der Platine 37, die mit Kupfer beschichtet ist, wird anschließend einem Photoätz-Vorgang unterworfen, bei dem die notwendigen Vorkehrungen für das Drucken von Schaltungen mit hoher Präzision getroffen werden müssen. Die Leiter auf der Fläche 36 werden auf diese Weise mit größter Genauigkeit in Bezug auf die Platte 21 angebracht und werden in keiner Weise von dem Klebevorgang beeinträchtigt.
Der beschriebene Meßwandler kann auf verschiedene Weise modifiziert werden. So können beispielsweise die Anschlußklemmen für die Versorgung zum einen Teil in der Nähe der einen Kante und zum anderen Teil in der Nähe der gegenüberliegenden Kante der Platine 37 angeordnet sein.
Chr - 27 139
709848/0965 Patentansprüche:

Claims (1)

  1. ?7?17:Π
    Patentansprüche
    Präzisions-Meßwandler für Positionsmessungen mit einem Paar relativ zueinander beweglicher Träger, die mit einer elektrischen Wicklung versehen sind, die aus in gleichen Abständen angeordneten Leitern besteht, welche in Serie geschaltet und auf dem jeweiligen Träger vorgesehen sind, wobei die Wicklung des einen Trägers mindestens zwei Gruppen von Leitern umfaßt, die zwei Kofunktionen entsprechen und miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet , daß beide Gruppen von Leitern auf eine Fläche (36) eines mehrschichtigen Elements aufgedruckt sind, wobei die andere Fläche (38) dieses Elements Hilfsleiter (28) aufweist, um die Leiter der beiden Gruppen in Serie zu schalten.
    Präzisions-Meßwandler nach Anspruch 1, bei dem das Element aus einer Schicht isolierenden Materials besteht, das auf den entsprechenden Träger geklebt werden kann, dadurch gekennzeichnet , daß die Leiter der einen Gruppe mit den Hilfsleitern (28) durch metallisierte, in der Schicht gebildete Löcher hindurch verbunden sind.
    3. Präzisions-Meßwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auf den entsprechenden Träger mit der Schicht, welche die Hilfsleiter (28) aufweist, aufgeklebt ist.
    4. Präzisions-Meßwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leittergruppen sich auf dem Träger des Läufers (17) befinden, während die Hilfsleiter (28) in der Nähe wenigstens einer
    709848/0965
    Kante des Läufers (17) angeordnet sind.
    5. Präzisions-Meßwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung Anschlußleiter enthält, welche zum einen Teil auf der einen Fläche (36) und zum anderen Teil auf der anderen Fläche (38) angeordnet sind, wobei die Anschlüsse jeweils mit einem Inselbereich zum Anschluß an einen Versorgungsschaltung verbunden sind, der zwischen den metallisierten Löchern und der Kante angeordnet ist.
    6. Verfahren zur Herstellung eines Meßwandlers nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das mehrschichtige Element auf den entsprechenden Träger aufgeklebt wird, nachdem die Hilfsleiter (28) auf das Element aufgedruckt worden sind, wobei die Gruppen von Leitern auf das mehrschichtige Element aufgedruckt werden, nachdem dieses aufgeklebt wurde.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Element nach einem Reinigungsund Beitzvorgang in Säure dadurch aufgeklebt wird, daß ein Trockenklebefilm zwischen dem halbbedruckten Element und dem entsprechenden Träger aufgebracht und die resultierende Verbindung für eine vorgegebene Zeit vorbestimmten Druck- und Temperaturverhältnissen ausgesetzt wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Trockenklebefilm aus einem thermisch aushärtenden Acryl-Harz besteht mit einer Dicke zwi schen 0,05 und 0,1 mm und daß die Verbindung einem Druck zwi schen 20 und 30 kg/cma und einer Temperatur zwischen 120°
    709848/0965 " 3 "
    und 17O0C für eine Zeit zwischen 0,5 und 3 Stunden ausgesetzt wird.
    27 139/Chr
    709848/0965 ORIGINAL INSPECTED
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