DE60015612T2

DE60015612T2 - Messvorrichtung mit magnetoresistiven elektroden

Info

Publication number: DE60015612T2
Application number: DE60015612T
Authority: DE
Inventors: Pascal Jordil
Original assignee: Tesa SARL
Current assignee: Tesa SARL
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2020-06-28
Also published as: WO2002001144A1; CN1454308A; AU5204500A; JP2004502151A; DE60015612D1; US20030128028A1; US6724186B2; EP1295081A1; EP1295081B1; CN1237323C; HK1060176A1; JP4000056B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dimensionsmessvorrichtung mit magnetoresistiven Elektroden.
Elektronische Vorrichtungen zur Messung der Länge oder der Winkelposition, zum Beispiel im Industriebereich, müssen im Allgemeinen mehrere teilweise widersprechende Auflagen erfüllen. Sie müssen eine genügende Genauigkeit und Auflösung bieten und in einer Umgebung brauchbar sein, wo Vibrationen oder Schadstoffemissionen, wie Staub, Öl oder Feuchtigkeit, vorkommen. Zusätzlich wird von solchen Sensoren erwartet, dass sie einfach in kleine Apparate integriert werden können, ohne grössere Regelungen oder Anpassungen, eine erhöhte Messgeschwindigkeit und einen möglichst verminderten Stromverbrauch zu einem so niedrigen Preis wie möglich.
Verschiedene, auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhende Typen von Messvorrichtungen sind entwickelt worden, um diesen diversen Anforderungen gerecht zu werden. Insbesondere wurden Messvorrichtungen, welche die durch das Verschieben eines Sensors gegenüber einem Lineal verursachten Kapazitätsveränderungen benutzen, in tragbare Vorrichtungen, wie zum Beispiel Schieblehren, reichlich eingebaut. Diese Vorrichtungen müssen sauber genug gehalten werden, um funktionieren zu können, und eignen sich daher schlecht für ein Funktionieren in einer Umgebung, die feucht ist oder Spritzern von Gleitmittel oder Kühlöl zum Beispiel ausgesetzt ist. Vorrichtungen zur Messung der Länge, die auf dem Prinzip von magnetoresistiven Elektroden beruhen, und welche eine viel bessere Resistenz gegen Unsauberkeiten bieten, wurden zum Beispiel im Patent DE 42 33 331 (IMO) vorgeschlagen. Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst einen Sensor, der mit einem Netzwerk von magnetoresistiven Elektroden versehen ist, welche so verbunden sind, dass sie zwei Wheatstonebrücken bilden. Der Sensor wird auf einem Schieber montiert und kann gegenüber einem mit einer Magnetisierungsperiode λ magnetisierten Lineal bewegt werden. Eine Verschiebung des Sensors gegenüber dem Lineal löst eine sich auf die verschiedenen magnetoresistiven Elektroden des Sensors erstreckende Veränderung des Magnetfeldes und somit eine Veränderung ihres Widerstandes aus. Werden die Wheatstonebrücken unter Strom gesetzt, empfängt man an ihren Ausgängen ein elektronisches Signal als periodische Funktion der Position des Sensors entlang des Lineals.
Die zwei Messbrücken bestehen aus vier um λ/2 phasenverschobenen magnetoresistiven Elektroden. Die entsprechenden Elektroden jeder Brücke belegen um λ/4 phasenverschobene Positionen. Die Elektroden der zwei Brücken sind vermischt. Dieses Dokument schlägt zudem den Gebrauch von Barberpole-Strukturen vor, welche es erlauben, die Richtung des Stromvektors 1 zu ändern. Da der Widerstand einer magnetoresistiven Elektrode eine Funktion des Winkels zwischen dem Magnetisierungsvektor und dem Stromvektor ist, erlauben die Barberpole-Strukturen, die Richtung und die Grösse der durch das Verschieben des Sensors herbeigeführte Variation des Widerstandes der Elektroden zu kontrollieren.
Jeder Schenkel der Messbrücke besteht aus einer einzigen magnetoresistiven Elektrode von genügender Grösse, um auf die relativ kleinen vom Lineal generierten Magnetfelder zu reagieren. Der Widerstand der Schenkel der Brücke ist daher vermindert, und grosse Ströme fliessen durch die Messbrücken. Der Stromverbrauch dieser Vorrichtung ist dementsprechend hoch.
Das Patent US5386642 (Heidenhain) beschreibt einen Sensor, in welchem die Elektronen in Messbrücken organisiert sind, wobei jeder Schenkel aus mehreren gleichphasigen, seriell geschalteten magnetoresistiven Elektroden besteht. Der Widerstand der Schenkel der Brücke ist daher höher, was zu einer beträchtlichen Senkung des Stromverbrauchs führt. Trotzdem ist der Stromverbrauch von Sensoren dieses Typs immer noch zu hoch, als dass ein Einsatz in selbständigen elektrischen Apparaten, zum Beispiel in tragbaren Präzisionsmessgeräten, möglich wäre.
Das Dokument JP-01-212313-A beschreibt einen elektronischen Schaltkreis, der für eine Dimensionsmessvorrichtung mit magnetoresistiven Elektroden geeignet ist, wobei die magnetoresistiven Elektroden durch Gleichstromquellen gespeist werden.
JP-A-61-173113 beschreibt eine neue Art, die magnetoresistiven Elektroden in einer Vorrichtung zur Messung von Winkeldimensionen zu verbinden, um den Stromverbrauch zu senken. Die Senkung des Stromverbrauchs ist dank einer speziellen Verbindung der Elektroden möglich.
EP0924491 beschreibt einen elektronischen Schaltkreis für Dimensionenmessvorrichtung vom magnetoresistiven Typ, in welchem die Speisung der Messbrücken periodisch reduziert oder unterbrochen wird, um die Energiedissipation in den magnetoresistiven Elektroden zu verringern. Indem die Messbrücken mit einem Zyklusverhältnis von 1/n, erreicht man eine Teilung durch n des Elektrizitätsverbrauchs in den Elektroden.
Dieser Schaltkreis beschreibt auch einen Standby-Schaltkreis, der es erlaubt, den Elektrizitätsverbrauch zu reduzieren, wenn die Vorrichtung nicht gebraucht wird. Im Standby-Modus werden die Anzeige und der Schaltkreiskontroller ausgeschaltet, so dass das Ablesen der Messung unmöglich ist. Diese Komponenten werden dann geweckt, sobald eine Verschiebung des Sensors durch die magnetoresistiven Elektroden wahrgenommen wird, wobei Letztere daher unter Strom bleiben müssen.
Der in EP0924491 beschriebene Standby-Modus ist also kaum vorteilhaft, da die in Standby-Modus gesetzte Vorrichtung zum Anzeigen der Messungen unbrauchbar ist, jedoch weiterhin einen bedeutenden Stromverbrauch aufweist, um die magnetoresistiven Elektroden zu speisen.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Messvorrichtung mit magnetoresistiven Elektroden zu schaffen, die sich gegenüber den Vorrichtungen aus dem Stand der Technik unterscheidet und deren Stromverbrauch gleich oder weniger gross ist.
Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine tragbare Messvorrichtung, wie z.B. Schieblehre, die durch Batterie gespeist wird, zu schaffen.
Gemäss der Erfindung werden diese Ziele durch einen Schaltkreis erreicht, welcher die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Anspruchs aufweist, wobei Varianten ferner in den abhängigen Ansprüchen angegeben werden.
Die Erfindung wird besser verstanden anhand der nachfolgenden Beschreibung, welche als Beispiel angegeben und durch die folgenden Figuren illustriert wird. Es zeigen:
1 eine explodierte Ansicht einer tragbaren elektronischen Messlehre gemäss der vorliegenden Erfindung.
2 ein elektrisches Diagramm, in welchem die Verbindungsart der verschiedenen Elektroden des Lineals zu zwei Messbrücken illustriert wird.
3 ein Steuerungsdiagramm der Speisungssignale der Messbrücken gemäss einer ersten Ausführungsform aus dem Stand der Technik.
4 ein Steuerungsdiagramm der Speisungssignale der Messbrücken gemäss einer zweiten Ausführungsform aus dem Stand der Technik.
5 ein Steuerungsdiagramm der Speisungssignale der Messbrücken gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
6 ein Steuerungsdiagramm der Speisungssignale der Messbrücken gemäss einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
7 ein Steuerungsdiagramm der Speisungssignale der Messbrücken gemäss einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
8 ein Steuerungsdiagramm der Speisungssignale der Messbrücken gemäss einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
9 ein Steuerungsdiagramm der Speisungssignale der Messbrücken gemäss einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
10 ein Steuerungsdiagramm der Speisungssignale der Messbrücken gemäss einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.
11 ein Steuerungsdiagramm der Speisungssignale der Messbrücken gemäss einer siebten Ausführungsform der Erfindung.
12 ein Steuerungsdiagramm der Speisungssignale der Messbrücken gemäss einer achten Ausführungsform der Erfindung.
Die 1 zeigt eine explodierte Ansicht einer tragbaren elektronischen Messlehre 1 gemäss der vorliegenden Erfindung. Die Konstruktion solcher Messgeräte ist bekannt und wurde zum Beispiel in der Patentanmeldung EP719999 im Namen der Anmelderin beschrieben.
Die Messlehre der Erfindung beinhaltet eine Stange 2 und eine Gleitschiene 1, die längs entlang der Stange bewegt werden kann. Die Gleitschiene ist mit einem beweglichen Schnabel 10 ausgestattet, während die Stange mit einem fixen Schnabel 20 ausgestattet ist. Ein Lineal 21 aus permanent magnetischem Material wird auf die Stange 2 angebracht und mit einer Folge von magnetisierten Regionen versehen. Das Lineal 21 ist mit einer mit einem Eindruck 220 versehenen Schutzschicht 22 aus nicht-magnetischem Material überzogen.
Elektronische Mittel, hier allgemein durch die Referenz 11 angegeben, erlauben es, auf die Flüssigkristallanzeige 12 eine von der Distanz zwischen den Schnäbeln 10 und 20 der Messlehre abhängigen Angabe anzuzeigen. Diese elektronischen Mittel werden direkt auf dem gedruckten Schaltkreis 115 angebracht. Sie bestehen vorwiegend aus einem magnetoresistiven Sensor 5, der unter dem gedruckten Schaltkreis 115 gegenüber dem magnetischen Lineal 21 angebracht wird. Der Sensor 5 umfasst ein Netzwerk aus einer grossen Anzahl von magnetoresistiven Elektroden, die in Gruppen organisiert sind, wobei der Wert der verschiedenen Widerstände des Netzwerkes eine periodische Funktion der Position der Gleitschiene 1 entlang der Stange 2 ist. Der Sensor kann zum Beispiel vom Typ sein, wie er in den schon erwähnten Patenten DE 42 33 331 oder US5386642 beschrieben wurde, oder vorzugsweise vom Typ wie in der Patentanmeldung EP0877228 im Namen der Anmelderin beschrieben. Die elektronischen Mittel 11 umfassen u.a. selbständige elektrische Speisungsmittel, im abgebildeten Beispiel eine Zelle 110. Die Zelle 110 besteht vorzugsweise aus einer flachen Lithiumzelle und muss der Vorrichtung mehrere Stunden, vorzugsweise sogar mehrere Monate selbständiges Funktionieren gewährleisten.
Ein integrierter elektronischer Schaltkreis 3 vom Typ ASIC berechnet auf Grund der Widerstandswerte der magnetoresistiven Elektroden auf dem Sensor 5 mindestens einen von der Distanz zwischen den Schnäbeln 10 und 20 abhängigen Parameter; der elektronische Schaltkreis 3 ist mit einem Standard-Mikrokontroller 6 verbunden, der den Schaltkreis 3 kontrolliert und die Anzeige 12 zur Anzeige der gemessenen Distanz steuert. Die elektronischen Mittel 11 umfassen zudem vorzugsweise einen auf der Oberseite des gedruckten Schaltkreises 115 gegenüber dem Sensor 5 montierten Polarisationsmagneten 114.
Die elektronischen Mittel 11 werden durch ein Gehäuse 13 geschützt, wobei Knöpfe 132 es erlauben, zum Beispiel den Start der Messlehre oder andere Funktionen, wie das Zurückstellen auf Null, das Addieren, das Mitteln von aufeinanderfolgenden Messungen, usw. zu steuern. Ein serielles optoelektronisches Verbindungselement 133 ist als Schnittstelle zwischen der Messlehre 9 und externen Instrumenten, wie beispielsweise einem Drucker, einem Personal-Computer oder einer Maschine, vorgesehen.
Der magnetoresistive Sensor 5 umfasst eine grosse Anzahl von parallelen magnetoresistiven Elektroden, deren Dimensionen so gewählt werden, dass sie einen grossen Widerstand erzeugen und daher den elektrischen Verbrauch des Sensors zu verringern vermögen.
Die verschiedenen magnetoresistiven Elektroden sind längs auf dem Sensor 5 so angebracht, dass sie in Bezug auf das durch das Lineal 2 erzeugte Magnetfeld verschiedene Phasenpositionen einnehmen. In einem genügend grossen Abstand vom Lineal 2 ist das Magnetfeld ungefähr eine sinusförmige Funktion der Position des Sensors auf der x-Axis. Das durch das Lineal 21 auf jeder magnetoresistiven Elektrode des Sensors erzeugte Magnetfeld ist daher eine sinusförmige Funktion der Längsposition dieser Elektrode; der Widerstand jeder Elektrode entwickelt sich sinusförmig, wenn die Gleitschiene 1 entlang der Stange bewegt wird. Der Messkreis 3, 6 ermittelt mit Hilfe des Wertes der verschiedenen Widerstände die Position der Gleitschiene und zeigt diese Information auf der Anzeige 12 an.
Die 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Verbindungsweise der magnetoresistiven Elektroden. Die magnetoresistiven Elektroden werden in diesem Beispiel so miteinander verbunden, dass zwei Messbrücken 100 (Wheatstonebrücken) definiert werden. Jede Brücke besteht aus einem Satz von mehreren seriell verbundenen Elektroden, wobei die Phase der Elektroden innerhalb jedes Satzes gleich oder nah ist. Jeder Satz umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform Elektroden, die mit räumlichen Phasenverschiebungen von 180° jedoch mit entgegengesetzten Orientierungen der Barberpole-Strukturen, beispielsweise +45° und –45°, positioniert sind. Die entsprechenden Elektroden jeder Messbrücke sind in diesem Beispiel um 90° phasenverschoben. Jede Brücke umfasst vier Sätze von magnetoresistiven Elektroden ABCD, bzw. A'B'C'D'. Andere Verbindungsweisen, zum Beispiel mit einer oder drei Messbrücken, oder mit anderen Phasenverschiebungen zwischen den Schenkeln der Brücken, können im Rahmen dieser Erfindung auch benutzt werden.
Die Anzahl der magnetoresistiven Elektroden pro Satz ist vorzugsweise grösser als vier, wird jedoch nur durch die Ausmasse des integrierten Schaltkreises 5 begrenzt; in einer Ausführungsform der Erfindung ist die Anzahl der magnetoresistiven Elektroden pro Satz gleich 72. Die Gesamtzahl der magnetoresistiven Elektroden 100 auf dem Sensor 5, in diesem nicht einschränkenden Beispiel mit zwei Messbrücken mit jeweils 4 Sätzen zu 72 Elektroden, entspricht also 576.
Im durch die 2 dargestellten Beispiel ist der Elektrodensatz A, respektive A', in Bezug auf den Elektrodensatz C, respektive C', um 180° phasenverschoben. Auf die gleiche Weise ist der Elektrodensatz B respektive B', in Bezug auf den Elektrodensatz D respektive D', um 180° phasenverschoben. Die Sätze A, A', B, B' besetzen dieselben Phasenpositionen wie die respektiven Sätze C, C', D, D'. Die magnetoresistiven Elektroden jedes Paars AB, A'B', CD, C'D' sind jedoch mit Barberpole-Strukturen von entgegengesetzter Orientierung, zum Beispiel +45° und –45°, versehen.
Erfindungsgemäss werden die zwei Messbrücken 100 zwischen den Terminals U_P und U_N durch die Widerstände 101, 103, 105 und 107 gespeist; Schalter 102, 104, 106 und 108 erlauben es, jeden Widerstand unabhängig von einander kurzzuschliessen. Wenn alle Schalter geschlossen sind, werden die zwei Messbrücken 100 also direkt mit den Spannungen U_P und U_N gespeist; indem alle Schalter geöffnet werden, wechseln die angelegten Spannungen auf U_Psb bzw. auf U_Nsb, so dass die Spannungsdifferenz an den Terminals der Brücken sich verringert und dass der Stromverbrauch reduziert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Schalter 102, 104, 106 und 108 alle gleichzeitig durch das gleiche Signal sb gesteuert; es ist jedoch auch möglich, im Rahmen dieser Erfindung diese Schalter unabhängig zu steuern. Auf ähnliche Weise, wenn mehrere Verbrauchszwischenstufen nützlich sind, ist es möglich, die Messbrücken zwischen mehreren seriellen Widerständen, die unabhängig von einander kurzgeschlossen werden können, zu speisen.
Wenn die Gleitschiene 1 in Bezug auf das Lineal 21 bewegt wird, liefern die Messbrücken Differenzialsignale c (zwischen den Terminals C und C') und s (zwischen den Terminals S und S') zurück, die als Funktion der Position des Sensors ungefähr sinusförmig sind, wobei ein Signal in Bezug zum anderen um 90 Grad phasenverschoben ist. Diese Signale werden an den elektronischen Schaltkreis 3 weitergeleitet, der, wie später in Bezug auf 5 besprochen wird, sie verstärkt und auf Grund der verstärkten Signale die Position des Sensors ermittelt. Der elektronische Schaltkreis 3 kontrolliert ausserdem die Schnittstelle mit der Tastatur 132 sowie eine optionale Schnittstelle mit externen Geräten, z.B. eine serielle Schnittstelle RS232 (133).
Das Messgerät der Erfindung enthält unter anderem vorzugsweise einen kleinen Parameter RAM (PRAM oder EEPROM), nicht abgebildet, um gewisse Parameter, wie die Wahl der Messeinheit, den Zustand des Schaltkreises, der gerade verwendete Speisungsmodus der Messbrücken, usw. zu speichern. Dieser Speicherbereich kann auch im Schaltkreis 3 oder im Mikrokontroller 6 eingebaut werden.
Eine detailliertere Beschreibung einer möglichen Ausführungsform des Schaltkreises 3 wird in Patentanmeldung EP0924491 beschrieben.
Nun werden in Bezug auf die 3 bis 12 verschiedene Speisungsverfahren des erfindungsgemässen Schaltkreises besprochen.
In der in 3 dargestellten Ausführungsform aus dem Stand der Technik wird eine Gleichspannung U_P mit einem Wert U_Pmax (z.B. 3 Volt) an dem Terminal geliefert, während eine Gleichspannung U_N ungleich dem Wert U_N–min (z.B. 0 Volt) an den Punkt U_Nsb am Terminal U_N geliefert wird. Die zwei Messbrücken werden also mit einem einzigen Modus gespeist, der eine Gleichspannung U_Pmax–U_Nmin verwendet, so dass der Stromverbrauch konstant und hoch bleibt. Diese Ausführungsform eignet sich daher nicht für den Gebrauch in tragbaren, mit Batterie gespeisten Vorrichtungen, für welche der Stromverbrauch von grösster Bedeutung ist.
Eine alternative Ausführungsform der Messbrücken mit pulsiertem Speisemodus wird in 4 dargestellt. In dieser Variante schwankt die am Punkt U_Psb angelegte Spannung zwischen der maximalen Spannung U_Pmax und der tieferen Spannung U_Psb (beispielsweise zwischen Vdd und Vdd/2). Die Spannung des Punkts U_Nsb schwankt zwischen U_Nsb = U_Psb und U_Nmin (beispielsweise zwischen Vdd/2 und Vss = 0 Volt). Das zyklische Verhältnis ist konstant und gleich T1/(T1 + T2).
Wenn man den Schaltverlust und den Verbrauch der sequentiellen Logik vernachlässigt, erlaubt dieser Speisemodus, den Stromverbrauch in den Elektroden durch einen Faktor gleich dem zyklischen Verhältnis zu reduzieren. Die Spannungsschwankungen an jedem Zyklus werden zwischen den beiden Terminals U_P und U_N verteilt, um zu verhindern, dass die Verstärker, welche die Signale u_P und u_N liefern, zu grossen Spannungssprüngen ausgesetzt sind. Es ist somit möglich, Eingangsverstärker zu verwenden, deren Gleichtakt-Unterdrückungsfaktor (CMRR) weniger kritisch ist. Zudem ermöglicht diese Verteilung der Spannungsschwankungen eine Reduktion des wegen dem Laden/Entladen der Streukapazitäten verursachten Verbrauchs und eine Reduktion der Umschaltungszeit zwischen den Speisungsintervallen und den Speiseverringerungsintervallen, sowie eine Kompensation der durch die Übergänge des Signals u_P verursachten Kreuzkopplung durch die komplementären Übergänge von u_N.
Die Signale u_P und u_N werden von einer nicht dargestellten sequenziellen Logik auf Basis der Taktimpulse eines nicht dargestellten Oszillators geliefert. Das zyklische Verhältnis zwischen den Speisungsintervallen und den Speiseverringerungsintervallen kann mittels geeigneter Kontrollregister in der Elektronik 3 geändert werden. Zum Beispiel erlauben es zwei Bits in einem dieser Register, vier Verhältnisse des Betriebszyklus auszuwählen: 100% (immer gespeist), 50%, 25% (wie dargestellt) und 0% (ganz angehalten).
Im Vergleich zur in 3 illustrierten durchgehenden Speisung erlaubt es diese Ausführungsform, den Stromverbrauch in den Elektroden zu reduzieren. Der Reduktionsfaktor T1/(T1 + T2) kann jedoch nicht frei gewählt werden: Während der Speisungsunterbruchsintervalle T2 ist kein Ermitteln der Verschiebung des Sensors möglich, so dass der angezeigte Wert während diesen Intervallen sich als falsch erweisen kann. Ferner, im häufigen Fall, wo die Anordnung und das Kodieren der Elektroden keine absolute Messung der Position sondern nur eine Differentialmessung erlauben, geht die absolute Position verloren, wenn der Sensor während der Intervalle T2 bewegt wird, was Fehler in den späteren Messungen verursacht. Es ist also nötig, einen genügend schwachen Wert von T2 zu wählen, um sicher zu stellen, dass die geringste Verschiebung des Sensors erkannt wird und dass die Positionsreferenz nicht verloren geht.
Eine andere Ausführungsform der Speisung der Messbrücken gemäss der Erfindung wird in 5 illustriert. Gespeist werden die Messbrücken in dieser Variante während der Speisungsintervalle von einer Dauer T1 zwischen der maximalen Spannung U_Pmax und der Spannung U_Nmin, und während der Speiseverringerungsintervalle T2 zwischen U_Psb und U_Nsb, wobei U_Psb grösser als U_Nsb ist. Das Schalten zwischen den Speisungsintervallen T1 und den Speiseverringerungsintervallen T2 wird durchgeführt, indem die Schalter 102, 104, 105 und 108 mittels des Signals sb betätigt werden. Die Messbrücken werden somit mit einem einzigen pulsierten Modus gespeist, in welchem die Spannung an den Terminals immer mindestens gleich U_Psb–U_Nsb ist, wobei diese Werte gewählt werden, um eine grobe Messung zu erlauben und ohne Interpolation der Position.
Im Vergleich zur in 4 dargestellten Ausführungsform aus dem Stand der Technik erlaubt diese Lösung, die Verschiebungen des Sensors zu erkennen und die absolute Position des Sensors sogar während der Speiseverringerungsintervalle T2 zu erhalten. Es ist also möglich, ein viel niedrigeres zyklisches Verhältnis T1/(T1 + T2) zu wählen und somit die Intervalle T1, während denen die maximale Spannung angelegt wird, einzuschränken. Da die verbrauchte Stromleistung proportional zum Quadrat der Spannungsdifferenz zwischen den Terminals U_P und U_N ist, ist es also möglich, je nach gewählten Werten für T1, T2, U_Psb und U_Nsb eine zusätzliche Reduktion des Verbrauchs im Vergleich zur in 4 dargestellten Ausführungsform zu erreichen.
In den bisher dargestellten Ausführungsformen werden die Messbrücken mit einem einzigen Gleichspannungs- oder pulsierten Modus gespeist. Der Durchschnittsverbrauch bleibt also gleichmässig, wenn die Messlehre in Betrieb ist, ob sie gebraucht wird oder nicht. Es wurde jedoch im Rahmen dieser Erfindung festgestellt, dass die Benutzer ihre Messlehre oft während mehreren Stunden eingeschaltet lassen, obwohl die effektive Gebrauchsdauer üblicherweise nur einem Bruchteil der Dauer entspricht, während der die Messlehre eingeschaltet bleibt.
Eine Messvorrichtung mit magnetoresistiven Elektroden mit einem Standby-Modus wurde schon in der erwähnten Patentanmeldung EP0924491 beschrieben. In diesem Dokument werden jedoch die magnetoresistiven Elektroden sogar, während dem die Vorrichtung in Standby-Modus steht, weiterhin gespeist; der Stromverbrauch bleibt also sehr gross.
Die 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, welche unter Berücksichtigung dieser Beobachtung den Stromverbrauch zu reduzieren vermag. Diese Variante verwendet zwei Speisungsmodi der Messbrücken. Im ersten Modus werden die Messbrücken 100 ausgeschaltet, d.h. die am oberen Terminal U_Psb angelegte Spannung ist gleich der am unteren Terminal U_Nsb angelegten Spannung.
Die Speisung der Messbrücken wechselt in einen zweiten Modus, sobald eine Bedienung der Vorrichtung, beispielsweise eine Verschiebung des Sensors oder die Betätigung einer Steuertaste, festgestellt wird. In diesem Fall wird ein Signal Trig erzeugt, das mittels eines nicht dargestellten logischen Schaltkreises eine Änderung der an den Terminals U_Psb und U_Nsb angelegten Spannung hervorruft, die auf U_Pmax bzw. U_Nmin wechselt, so dass die Messbrücken mit einer genügenden Spannung gespeist werden, um eine feine Messung der Position mit Interpolation innerhalb des Messintervalls zu erlauben. Dieser Speisungsmodus wird während einer vorbestimmten Dauer ΔT1 aufrechterhalten; dann wird die Speisung der Brücken ausgeschaltet.
Das Signal Trig kann beispielsweise als Reaktion auf eines der folgenden Ereignisse ausgelöst werden: Bedienung einer der Tasten 132 der Messlehre, Steuersignal auf dem Serieneingang 133 oder Verschiebung des Sensors 5 in Bezug auf das Lineal. Diese Verschiebung kann beispielsweise mittels einer zusätzlichen magnetoresistiven Elektrode (nicht dargestellt) erkannt werden, welche sogar weiterhin gespeist wird, wenn die Messbrücken ausgeschaltet sind, und deren Spannungsschwankungen zur Erzeugung des Signals Trig gemessen werden.
Die Dauer ΔT1 wird vorzugsweise genügend lange gewählt, beispielsweise 10 Minuten, um ein Messen und ein Ablesen des Resultats in den meisten Situationen zu ermöglichen. Diese Dauer ist vorzugsweise kürzer als die Wartezeit, bevor die Messlehre in Standby-Modus gesetzt wird oder bevor die anderen Funktionen der Messlehre, z.B. die Anzeige, abgestellt werden. Das Ablesen der durchgeführten Messung ist also während einer limitierten Zeit sogar nach Unterbruch der Speisung der Elektroden noch möglich.
Im Fall eines Sensors, der keine absolute Bestimmung der Position erlaubt, wird Letztere während der Speisungsunterbruchsintervalle vorzugsweise in einem Zwischenregister gespeichert, beispielsweise in einem Positionszähler.
Die in 6 vorgestellte Lösung ist effizient, benötigt jedoch eine zusätzliche magnetoresistive Elektrode ausserhalb der Messbrücke und einen Bewegungserkennungsschaltkreis, um die Verschiebungen des Sensors zu erkennen, wenn die Messbrücken ausgeschaltet sind. Diese Elemente verursachen Mehrkosten und einen zusätzlichen Stromverbrauch. Ferner muss die Positionszählelektronik bestimmten Anforderungen gerecht werden, um die absolute Position während der Wiederherstellung der Spannung zur Speisung der Messbrücken zu erhalten.
Die in 7 dargestellte Speisungsvariante erlaubt es, diese Nachteile zu beseitigen. Gemäss dieser Ausführungsform werden die Messbrücken während der Speiseverringerungsintervalle durch Widerstände 101, 103, 105 und 107 gespeist. Die Brücken sind somit mit einer Spannung gleich U_Psb–U_Nsb gespeist, wobei diese Differenz genügend gewählt wird, um mindestens eine Erkennung der Verschiebungen und eine grobe Messung (ohne Interpolation der Position) zu erlauben. Sobald eine Verschiebung mittels dieser groben Messung erkannt wird oder sobald eine andere Aktivität erkannt wird, wird ein Signal Trig erzeugt, welches das Aktivieren des Signals sb während einer Dauer ΔT1 und das Kurzschliessen der Widerstände 101, 103, 105 und 107 verursacht, so dass die vollständige Spannung U_Pmax–U_Nmin an den Terminals der Brücken wieder hergestellt wird.
Im Vergleich zur in 6 dargestellten Ausführungsform vereinfacht diese Lösung das Erzeugen des Signals Trig und löst das Problem des Verlusts der Positionsreferenz, wenn die Messbrücken nicht gespeist werden. Es ist also möglich, strengere Bedingungen für das Erzeugen des Signals Trig zu stellen und auf den Modus der vollständigen Speisung der Messbrücken nur dann zu wechseln, wenn Verschiebungen mit einer genügenden Grösse und/oder Dauer erkannt werden. Jedoch zirkuliert weiterhin ein elektrischer Strom durch die magnetoresistiven Elektroden 100, sogar wenn die Messlehre sich im Speiseverringerungsmodus befindet.
8 illustriert eine ähnliche Ausführungsform wie diejenige, die in Zusammenhang mit der 7 beschrieben wurde, in welcher jedoch die Speisung der Messbrücken nach einem Intervall ΔT2 länger als ΔT1 vollständig ausgeschaltet wird. Diese Ausführungsform verwendet somit drei verschiedene Modi zur Speisung der Brücken:

• Stopmodus ("off"), in welchem die Speisung der Messbrücken vollständig unterbrochen wird, wenn keine Bewegung seit einem Intervall ΔT2 erkannt wurde;
• Standby-Modus, in welchem die Speisung der Messbrücken nur reduziert wird, wenn keine Bewegung seit einem Intervall ΔT1 erkannt wurde;
• Feinmessmodus, welcher eine genaue Messung während einer Dauer ΔT1 sofort nach Ermittlung einer Bewegung oder Bedienung erlaubt.

Die Messlehre wechselt vom Stopmodus in den Standby-Modus oder direkt in den Feinmessmodus z.B. nach einer Bedienung einer der Tasten der Messlehre. Es ist zudem möglich, andere Elemente der Messlehre, beispielsweise die Anzeige, in Standby- oder Stop-Modus nach einem nicht dargestellten Intervall ΔT3 grösser als ΔT2 zu setzen.
Die 9 illustriert eine andere Ausführungsform der Speisung ähnlich derjenigen, welche in Zusammenhang mit der 7 beschrieben wurde, in welcher jedoch die Speisung der Messbrücken während der Speiseverringerungsintervalle mit einem zyklischen Verhältnis T1/(T1 + T2) pulsiert ist, um ein Erkennen der Bewegungen und das Aufrechthalten der absoluten Position mit einem minimalen Stromverbrauch zu ermöglichen. Die vollständige und durchgehende Speisung der Brücken wird während einer Dauer ΔT1' wieder hergestellt, wenn während eines Intervalls T1 ein Signal Trig, das beispielsweise das Ermitteln einer Bewegung anzeigt, empfangen wird.
Auf der 9 schwingt die Spannung an den Terminals der Messbrücken zwischen (U_Pmax–U_Nmin) und 0, wenn die Messlehre sich im Speiseverringerungsmodus während der Intervalle T1 befindet. In einer nicht dargestellten Variante wäre es offensichtlich auch möglich, während dieser Intervalle eine schwächere Spannung (U_Psb–U_Nsb) anzulegen, gerade genügend, um eine Grobmessung durchzuführen.
Die 10 illustriert eine andere Ausführungsform der Speisung, ähnlich wie diejenige, die in Zusammenhang mit der 7 beschrieben wurde, in welcher jedoch die Speisung der Messbrücken mit einem zyklischen Verhältnis T1/(T1 + T2) pulsiert ist, wenn sich die Brücken im Feinmessmodus während einer Dauer ΔT1 befinden. Diese Variante ermöglicht es also, Bewegungen zu ermitteln und die Position jederzeit mit einer groben Genauigkeit zu messen und eine genauere Messung während nur einer Dauer ΔT1 nach Erzeugung eines Signals Trig, welches eine Bedienung der Messlehre anzeigt, zu erlauben.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Intervalle mit einer Dauer T1 mit den Intervallen, in denen die Anzeige 12 aufgefrischt wird, synchronisiert, um eine genaue Messung der Position während oder gerade vor den Perioden, während denen der auf der Anzeige angegebene Messwert aufgefrischt wird, zu ermöglichen.
In der in 10 illustrierten Ausführungsform werden die Messbrücken mit einer Spannung U_Psb–U_Nsb auch weiterhin gespeist, wenn keine Bewegung erkannt wird. Der Fachmann wird verstehen, dass es auch möglich ist, in den Stopmodus zu wechseln und diese Speisung nach einem Intervall ΔT1 oder ΔT2 nach der Erzeugung eines Signals Trig gänzlich aufzuheben.
Die 11 illustriert eine andere Ausführungsform der Speisung der Messbrücken, ähnlich wie diejenige, die in Zusammenhang mit der 10 beschrieben wurde, in welcher jedoch die Messbrücken durchgehend mit einer pulsierten Spannung gespeist werden. Jedoch erhöht sich das zyklische Verhältnis nach Erkennung einer durch das Signal Trig angegebenen Bedienung und wechselt von T3/(T3 + T4) auf T1/(T1 + T2). In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Intervalle mit einer Dauer T1 mit den Intervallen, in denen die Anzeige 12 aufgefrischt wird, synchronisiert, um eine genaue Messung der Position während oder gerade vor den Perioden, während denen der auf der Anzeige angegebene Messwert aufgefrischt wird, zu ermöglichen. Diese Variante erlaubt somit eine häufige Aktualisierung des angezeigten Messwertes nur, wenn der Schaltkreis sich im Feinmessmodus während einer Dauer ΔT1 nach dem Erkennen eines durch das Signal Trig angezeigten Ereignisses befindet.
Auf der 11 schwingt die Spannung an den Terminals der Messbrücken immer zwischen (U_Pmax–U_Nmin) und 0. In einer nicht dargestellten Variante wäre es offensichtlich auch möglich, während dieser Intervalle eine schwächere Spannung (U_Psb–U_Nsb) anzulegen, gerade genügend, um eine Grobmessung während der Perioden T3, wenn sich die Messbrücken im Standby-Modus befinden, durchzuführen. Zudem ist es möglich, wie in 12 dargestellt, die Speisungsspannung während der Speiseverringerungsintervalle mit einer Dauer T2 nach Einschalten des Signals Trig nicht gänzlich aufzuheben, um die Spannungssprünge und somit die kapazitiven Verluste und Störungen während der genauen Messungen zu verringern.
Der Fachmann wird verstehen, dass es auch möglich ist, in den Ausführungsformen der 11 und 12 die Speisung der Messbrücken nach einem Intervall ΔT1 oder ΔT2 nach der Erzeugung eines Signals Trig gänzlich aufzuheben.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst der elektronische Schaltkreis 3 zudem einen nicht dargestellten Frequenzmesser, der die Frequenz des Messsignals und somit die Geschwindigkeit der Verschiebung des Sensors bestimmt. Gemäss einem optionalen Merkmal der Erfindung hängt der Modus der Speisung der Messbrücken von der ermittelten Frequenz ab, so dass, wenn der Sensor sich schnell bewegt, das zyklische Verhältnis T1/(T1 + T2) zunimmt.
Das zyklische Verhältnis kann ferner von einem nicht dargestellten Schaltkreis zur Ermittlung des Ladezustands der den elektronischen Schaltkreis speisenden Batterie 110 gesteuert werden: Wenn die Batterie eine Spannung unter einem vorbestimmten Minimum liefert, verringert sich das zyklische Verhältnis oder die Spannung an den Terminals der Brücken, um den Verbrauch zu reduzieren.
Man wird zudem verstehen, dass die verschiedenen hier erwähnten Ausführungsformen mit einander kombiniert werden können, und dass es somit möglich ist, Varianten der Speisung der magnetoresistiven Elektroden vorzusehen, die zwei oder mehr separate Modi verwenden, wobei jeder Modus unterschiedliche Spannungen und eine durchgehende oder pulsierte Speisung mit verschiedenen zyklischen Verhältnisse verwenden können. Es können ferner unterschiedliche Bedingungen vorgesehen werden, um von einem Modus zu einem anderen zu wechseln, wie Erkennung einer durch ein oder mehrere Signale Trig angezeigten Verschiebung oder Bedienung, Änderung der Frequenz des Messsignals, Änderung des Ladezustands der Batterie, Zählung eines Timers mit variabler Dauer ΔTi und von verschiedenen Ereignissen, beispielsweise von dem Signal Trig, ausgelöst, oder Angaben in mindestens einem geeigneten Steuerregister im Schaltkreis 3. Das Steuerregister kann beispielsweise die vom Benutzer gewünschte Messresolution anzeigen.
Es ist also beispielsweise möglich, ein und denselben Schaltkreis so zu programmieren, dass er gemäss verschiedenen Speisungsmodi funktioniert, um beispielsweise den Stromverbrauch je nach vorgesehener Verwendung zu optimieren. Dieses Programmieren kann erfolgen entweder durch Software, unter Steuerung des Prozessors 6, oder durch Montierung (bonding) des Sensors 5 und/oder des Messschaltkreises 3 auf den gedruckten Schaltkreis 115, indem gewisse Spannungen auf gewisse Stifte des Sensors und/oder des Messschaltkreises aufgezwungen werden.
Ferner zeigen alle dargestellten Ausführungsformen aus Vereinfachungsgründen rechteckige Speisungssignale U_P und U_N. Man wird jedoch verstehen, dass die Erfindung auch für Messlehren angewandt werden kann, die Speisesignale mit einer beliebigen Form verwenden, beispielsweise sinusförmig, dreieckig usw. Es ist auch möglich, im Rahmen dieser Erfindung die Form der Speisungssignale zu ändern, je nach Modus, in welchem die Messlehre sich befindet, beispielsweise die Verschiebungen in Standby-Modus mittels rechteckiger Impulsketten zu ermitteln und sinusförmige Speisungssignale zu verwenden, sobald eine Verschiebung oder eine Bedienung erkannt wird.
Andere Speisungsmodi der magnetoresistiven Elektroden 100 können je nach verwendetem Sensor konzipiert werden, beispielsweise Stromspeisungen, nicht differenzielle Speisungen usw. Ferner, im Fall eines Schaltkreises mit mehreren Messbrücken, ist es im Rahmen dieser Erfindung möglich, diese verschiedenen Brücken gemäss verschiedenen Modi zu speisen.
Wie erwähnt, umfasst der Messschaltkreis 3 nicht dargestellte differenzielle Eingangsverstärker, um die aus den zwei Messbrücken 100 stammenden Differentialsignale s–s' und c–c' zu verstärken. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können diese Verstärker gesteuert werden, um gemäss zwei Modi zu funktionieren, die sich durch einen unterschiedlichen Stromverbrauch und einen Störpegel unterscheiden. Man wird also vorzugsweise die Verstärker so steuern, dass sie nur gemäss dem Modus mit niedrigem Störpegel und hohem Stromverbrauch nur während der Intervalle ΔT1 nach Erzeugung des Signals Trig funktionieren.
Obwohl der beschriebene Schaltkreis sich speziell gut für eine tragbare Dimensionsmessvorrichtung eignet, wie zum Beispiel für eine Schieblehre oder einen Mikrometer, ist sein Gebrauch natürlich auch in allen Arten von fixen oder mobilen Vorrichtungen zur Messung von Längen oder Winkeldimensionen möglich.

Claims

Messvorrichtung (1) umfassend: ein Lineal (21), mit einer Folge von magnetisierten Regionen (23, 24) versehen, einen Sensor (5), der parallel gegenüber dem Lineal (21) verschoben werden kann und mit einem Netzwerk von magnetoresistiven Elektroden (100) versehen ist, welche verbunden sind, um mindestens eine Messbrücke zu bilden, einen Schaltkreis, um besagte mindestens eine Messbrücke elektrisch zu speisen und um mindestens eine von mindestens einem Ausgangssignal besagter mindestens einer Messbrücke abhängige Grösse zu liefern, wobei besagter Schaltkreis so ausgeführt ist, dass er besagte mindestens eine Messbrücke gemäss einem ersten Modus oder gemäss einem zweiten Modus speisen kann, wobei besagte Moden sich von einander durch die Spannung unterscheiden, die von besagtem Schaltkreis generiert und zwischen den Terminals besagter mindestens einer Messbrücke angelegt wird, wobei die zwischen den Terminals besagter mindestens einer Messbrücke in besagtem erstem Modus angelegte Spannung niedriger ist als die an den Terminals besagter mindestens einer Messbrücke in besagtem zweitem Modus angelegte Spannung, wobei besagter zweiter Modus eine feinere Messung als besagter erster Modus erlaubt, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Terminals besagter mindestens einer Messbrücke in besagtem erstem Modus angelegte Spannung genügend ist, um das Erkennen von Verschiebungen besagten Sensors in Bezug auf besagtes Lineal zu erlauben, wobei besagte Vorrichtung einen Schaltkreis zum Erzeugen von Signalen (Trig) in Antwort auf eine Bedienung der Vorrichtung umfasst, wobei besagter Schaltkreis so angeordnet ist, um von besagtem erstem Modus in besagten zweiten Modus in Antwort auf das Generieren besagten Signals zu wechseln.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei besagter Signalerzeugungsschaltkreis so ausgerüstet ist, um besagtes Signal (Trig) in Antwort auf das Erkennen einer Verschiebung des besagten Sensors in Bezug auf besagtes Lineal zu generieren.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens eine Kontrolltaste, wobei besagter Signalerzeugungsschaltkreis ausgerüstet ist, um besagtes Signal (Trig) in Antwort auf die Bedienung einer besagten mindestens einen Kontrolltaste zu generieren.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens eine serielle Schnittstelle, wobei besagter Signalerzeugungsschaltkreis ausgerüstet ist, um besagtes Signal (Trig) in Antwort auf einem Befehlssignal auf besagter serieller Schnittstelle zu generieren.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die von besagtem Schaltkreis in besagtem erstem Modus generierte Spannung pulsiert ist und die von besagtem Schaltkreis in besagtem zweitem Modus generierte Spannung eine Gleichspannung ist.
Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, worin besagte von besagtem Schaltkreis in besagtem erstem Modus generierte Spannung eine Gleichspannung ist und die von besagtem Schaltkreis in besagtem zweitem Modus generierte Spannung pulsiert ist.
Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die von besagtem Schaltkreis in besagtem erstem Modus generierte Spannung mit einem ersten zyklischen Verhältnis pulsiert ist und die von besagtem Schaltkreis in besagtem zweitem Modus generierte Spannung mit einem zweiten zyklischen Verhältnis, der anders als besagtes erstes zyklisches Verhältnis ist, pulsiert ist.
Messvorrichtung gemäss einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebszyklusverhältnis zwischen den Speisungsintervallen und den Speiseverringerungsintervallen von der Frequenz des Eingangssignals abhängig ist.
Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 8 bis 10, umfassend ein Anzeigen besagter Messung, wobei besagtes Anzeigen periodisch aufgefrischt wird, und worin die Speisungsintervalle besagter Messbrücken während besagtem zweitem Modus synchronisiert werden mit den Anzeigeauffrischungsintervallen, um eine genaue Messung der Position während oder gerade vor den Perioden, während denen der angegebene Messwert aufgefrischt wird, zu erlauben.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Form der Signale zur Speisung besagter Messbrücken in besagten ersten und zweiten Moden verschieden ist.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, welche in besagten ersten Modus nach einem vorbestimmten Intervall (ΔT1) zurückkehrt.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Speisung besagter Messbrücken nach einem vorbestimmten Intervall (ΔT2) nach besagtem Erkennen einer Verschiebung des besagten Sensors in Bezug auf besagtes Lineal vollständig unterbrochen wird.
Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der gewählte Speisungsmodus von der Geschwindigkeit der Verschiebung des besagten Sensors abhängig ist.
Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Batterie (110), um sie autonom zu speisen, und einen Schaltkreis (46) zum Erkennen des Ladezustands besagter Batterie (110), wobei der gewählte Speisungsmodus von besagtem Ladezustand abhängig ist.
Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens ein Kontrollregister, und worin der gewählte Speisungsmodus vom Zustand mindestens eines besagten Kontrollregisters abhängig ist.
Messvorrichtung gemäss dem vorhergehenden Anspruch, worin eines der besagten Kontrollregister die vom Benutzer gewünschte Auflösung angibt.
Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Speisespannung zwischen zwei externen Terminals (U_P, U_N) besagter mindestens einer Messbrücke geliefert wird, wobei ein Terminal (U_P) mit einem maximalen Potential (U_Pmax) und das andere (U_N) mit einem minimalen Potential versorgt wird, wenn besagte mindestens eine Messbrücke gespeist wird, wobei beide Terminals mit einem Zwischenpotential gespeist werden, wenn die angelegte Spannung reduziert ist.
Messvorrichtung gemäss dem vorhergehenden Anspruch, worin besagte Messbrücken an besagten externen Terminals durch mindestens einen Widerstand (101, 103, 105, 107) verbunden sind, wobei mindestens ein Schalter (102, 104, 106, 108) es erlaubt, mindestens einen der besagten Widerstände auszuschalten, wenn das maximale Potential an besagten Messbrücken angelegt werden muss.