DE602004006168T2

DE602004006168T2 - Induktive positionsmessvorrichtung und verfahren

Info

Publication number: DE602004006168T2
Application number: DE602004006168T
Authority: DE
Inventors: Colin Stuart Harston SILLS
Original assignee: TT Electronics Technology Ltd
Current assignee: AVX Electronics Technology Ltd
Priority date: 2003-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: WO2005055426A2; EP1697710A2; ATE360805T1; DE602004006168D1; WO2005055426A3; EP1697710B1; ES2286697T3

Description

Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position oder der Geschwindigkeit eines Objekts sowie eine Vorrichtung hierfür. Die Erfindung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, von Bedeutung für eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, die an einem Armaturenbrett oder ähnlichem angebracht ist.
Hintergrund der Erfindung
Es gibt zahlreiche Beispiele von Geräten, die eine Mensch-Maschine-Schnittstelle aufweisen, die an einem Armaturenbrett angebracht ist. Z. B. weisen Haushaltsgeräte wie Öfen oder Waschmaschinen üblicherweise ein Armaturenbrett mit Bedienelementen auf, die dem Benutzer erlauben, Kontrollparameter einzustellen.
Kapazitive Sensoren sind in Armaturenbrettern für industrielle Öfen verwendet worden. Kapazitive Sensoren sind berührungsfreie Sensoren und sind daher weniger anfällig für mechanischen Verschleiß als Berührungssensoren. Ein Nachteil von kapazitiven Sensoren ist allerdings, daß der Kontakt mit Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser, zu fehlerhaften Meßwerten führen kann. Es ist klar, daß Öfen oft in einer feuchten Umgebung betrieben werden, und daher kann Wasser auf dem Armaturenbrett des Ofens kondensieren. Daher kann sich ein Wassertropfen in unmittelbarer Nähe eines kapazitiven Sensors bilden und zur Eingabe eines fehlerhaften Kontrollparameters führen.
Induktive Sensoren stellen eine bekannte Alternative zu kapazitiven Sensoren dar. Typischerweise wird bei einem induktiven Positionssensor die elektromagnetische Ankopplung zwischen einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne in Abhängigkeit von der Relativbewegung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil variiert, wodurch die relative Position des ersten und zweiten Bauteils mittels des in der Empfangsantenne induzierten Signals bestimmt werden kann, wenn ein Erregersignal an die Sendeantenne angelegt wird. Z. B. beschreibt die internationale Patentanmeldung WO 03/038379 einen Positionssensor, bei dem eine Sendeantenne, gebildet durch zwei Erregerspulen, und eine Empfangsantenne, gebildet durch eine Lesespule, auf einer Leiterplatte ausgebildet sind, und ein Schwingkreis ist auf einem Sensorelement ausgebildet, welches relativ zu der Leiterplatte beweglich ist. Die zwei Erregerspulen sind so ausgebildet, das die elektromagnetische Kopplung zwischen den Erregerspulen und dem Schwingkreis entlang einer Meßstrecke, die parallel zur Ebene der Leiterplatte verläuft, gemäß einer Sinusfunktion bzw. einer Cosinusfunktion variiert. Durch Anlegen eines in Phase oszillierenden Signals bzw. eines in Quadratur oszillierenden Signals (das bedeutet 90° außer Phase bezüglich des in Phase oszillierenden Signals) an die beiden Erregerspulen wird in dem Schwingkreis ein oszillierendes Signal erzeugt, dessen Phase von der Position des Sensorelements auf der Meßstrecke abhängt. Das oszillierende Signal im Schwingkreis wiederum induziert ein oszillierendes Signal in der Lesespule, dessen Phase kennzeichnend für die Position des Sensorelements auf der Meßstrecke ist.
Für den in der WO 03/038379 beschriebenen Positionssensor ist es mit konventionellen Methoden schwierig, die zwei Erregerspulen so aufzubringen, daß die Periode der zugehörigen Sinus- und Cosinusfunktion weniger als einige Zentimeter beträgt, und dies begrenzt die verfügbare Auflösung für eine Positionsbestimmung. Weiterhin mißt der Positionssensor der in der WO 03/038379 beschrieben wirr, die Bewegung eines Sensorelements entlang einer Meßstrecke parallel zur Ebene eines planen Bauteils, und ist daher nicht gut geeignet für Anwendungen, bei denen die Bewegungen eines Sensorelements transversal (d. h. kreuzend) zur Ebene eines planen Bauteils, z. B. eines Armaturenbretts, gemessen werden soll.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß eines Aspekts der Erfindung wird ein induktiver Positionssensor bereitgestellt, der einen Magnetfeldgenerator umfaßt, welcher Leiterbahnen umfaßt, die auf wenigstens zwei Ebenen ausgebildet sind. Ein Sensorelement ist ausgelegt, sich relativ zum Magnetfeldgenerator entlang einer Meßrichtung zu bewegen, die die Ebenen kreuzt, auf denen der Magnetfeldsensor ausgebildet ist. Ein Detektor ist betreibbar, die Position des Sensorelements innerhalb eines vom Magnetfeldgenerator erzeugten Magnetfeldes zu ermitteln.
In einer Ausführungsform umfaßt der Magnetfeldgenerator Leiterbahnen auf verschiedenen Schichten einer mehrlagigen Leiterplatte.
In einer Ausführungsform gehören die Leiterbahnen des Magnetfeldgenerators zu einer Sendeantenne, der Detektor umfaßt eine Empfangsantenne und das Sensorelement bildet ein zwischengeordnetes Kopplungselement zwischen der Sendeantenne und der Empfangsantenne. Die elektromagnetische Kopplung zwischen der Sendeantenne und der Empfangsantenne variiert mit der Position des Sensorelements, wodurch der Detektor die Position des Sensorelements mittels eines in der Empfangsantenne induzierten Signals bestimmen kann.
Vorzugsweise bildet der induktive Sensor einen Teil einer Mensch-Maschine-Schnittstelle, die ein Armaturenbrett besitzt. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle kann z. B. ein Tastschalter oder ein Drehschalter sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Verschiedene Ausführungen der Erfindung werden nun beschrieben mit Bezug auf die beigefügten Abbildungen innerhalb derer:
1 schematisch eine Seitenansicht einer Tastschalterbaugruppe zeigt, die eine erste Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 eine Explosionsdarstellung eines Stabes zeigt, der einen Teil der in 1 dargestellten Tastschalterbaugruppe bildet;
3 schematisch eine perspektivische Ansicht einer mehrlagigen Leiterplatte zeigt, die einen Teil der Tastschalterbaugruppe bildet, die in 1 dargestellt ist, die eine Sinusspule, eine Cosinusspule und eine Lesespule zeigt, die auf der mehrlagigen Leiterplatte ausgebildet sind;
4 schematisch die Änderung der jeweiligen magnetischen Feldstärkekomponenten senkrecht zur mehrlagigen Leiterplatte zeigt, die durch Erregersignale erzeugt werden, die durch die Sinusspule und die Cosinusspule fließen;
5 schematisch die Hauptkomponenten der Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung zeigt, die einen Teil der in 1 dargestellten Tastschalterbaugruppe bilden;
6 die Anordnung der Leiterbahnen zeigt, die auf einer Seite einer Leiterplatte aufgebracht sind, die einen Teil einer zweiten Ausführungsform der Erfindung bildet, wobei die Leiterbahnen einen Teil einer Sinusspule, einer Cosinusspule und einer Lesespule bilden;
7 die Anordnung von Leiterbahnen zeigt, die einen Teil der Sinusspule, der Cosinusspule und der Lesespule bilden, und die auf der anderen Seite der in 6 abgebildeten Leiterplatte aufgebracht sind;
8 ein Graph ist, der die magnetische Feldstärkekomponente senkrecht zur Leiterplatte, die durch ein Erregersignal, das durch die Sinusspule der zweiten Ausführungsform fließt, erzeugt wird, mit einer Sinusfunktion vergleicht;
9 ein Graph ist, der die magnetische Feldstärkekomponente senkrecht zur Leiterplatte, die durch ein Erregersignal, das durch die Cosinusspule der zweiten Ausführungsform fließt, erzeugt wird, mit einer Cosinusfunktion vergleicht;
10 schematisch eine Seitenansicht einer Drehschalterbaugruppe zeigt, die eine dritte Ausführungsform der Erfindung bildet;
11 schematisch eine Draufsicht einer mehrlagigen Leiterplatte einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt und Leiterbahnen, die auf verschiedenen Ebenen der mehrlagigen Leiterplatte ausgebildet sind, darstellt;
12 schematisch die Hauptkomponenten eines induktiven Positionssensors zeigt, der einen Teil der vierten Ausführungsform bildet;
13 schematisch eine perspektivische Ansicht einer alternativen Tastschalterbaugruppe zeigt;
14 schematisch eine Seitenansicht der in 13 dargestellten alternativen Tastschalterbaugruppe zeigt;
15 schematisch die Hauptkomponenten der Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung zeigt, die einen Teil einer weiteren alternativen Tastschalterbaugruppe bilden; und
16a und 16b schematisch Komponenten eines alternativen induktiven Positionssensors zeigen, der zwei Leiterplatten verwendet.
Detaillierte Beschreibung
Erste Ausführungsform
1 zeigt eine Tastschalterbaugruppe 1 innerhalb derer eine federnd flexible Membran 3 an einer Seite eines planen Substrats 5 angebracht ist, welches in dieser Ausführungsform ein ABS-Armaturenbrett ist. Ein Loch ist durch das plane Substrats 5 ausgebildet und die Membran 3 ist so angeordnet, daß sie sich über dem Loch wölbt. Eine mehrlagige Leiterplatte (printed circuit board = PCB) 7 ist auf der Oberfläche des Substrats 5 angebracht, im Abstand von der flexiblen Membran 3 und die PCB 7 weist eine Öffnung auf, die mit der Mitte des Lochs durch das plane Substrat 5 abgestimmt ist.
Leiterbahnen 9, die auf den Schichten der mehrlagigen PCB 7 aufgebracht sind, bilden eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne, wie im folgenden detaillierter be schrieben wird. Die Leiterbahnen 9 sind mit einer Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 11 verbunden, die an der von dem planen Substrat 5 abgewandten Oberfläche der mehrlagigen PCB 7 angebracht ist. Die Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 11 legt Erregersignale an die Sendeantenne an, wodurch die Sendeantenne ein magnetisches Feld erzeugt, und verarbeitet ein Lesesignal, das in der Empfangsantenne induziert wird als Ergebnis des erzeugten magnetischen Feldes.
Ein langgestreckter Stab 13 ist so mit dem gewölbten Teil der Membran 3 verbunden, daß er durch das Loch im Substrat 5 und das Loch in der mehrlagigen PCB 7 hindurch ragt. Die Längsachse des Stabes 13 steht daher im wesentlichen senkrecht auf der Ebene des Substrats 5. Der Stab 13 umfaßt ein Ferritelement 15, welches in etwa am Loch durch die PCB 7 ausgerichtet ist. Das Ferritelement 15 verändert die Verteilung der magnetischen Feldstärke (d. h. des H-Feldes), die erzeugt wird, wenn Erregersignale an die Sendeantenne angelegt werden, derart, daß das Signal, das in der Empfangsantenne induziert wird, in Abhängigkeit von der Position des Ferritelements 15 relativ zur Sendeantenne und zur Empfangsantenne variiert. Daher können Bewegungen des Ferritelements 15 entlang der Längsachse z des langgestreckten Stabes 13, im folgenden Meßrichtung genannt, verursacht durch einen Finger 17 eines Benutzers, der auf den gewölbten Teil der flexiblen Membran 3 drückt, festgestellt werden.
In dieser Ausführungsform bildet die Membran 3 einen luftdichten Verschluß, der die Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 11 von der Außenseite der Tastschalterbaugruppe 1 isoliert. Dies ist vorteilhaft in Situationen, in denen Flüssigkeiten oder Schmutz in Kontakt mit der Tastschalterbaugruppe 1 kommen könnten.
2 zeigt eine Explosionsdarstellung des Stabes 13. Wie gezeigt ist, ist das Ferritelement 15 ein gestreckter Zylinder mit ringförmigem Querschnitt. In dieser Ausführungsform beträgt die Länge des Ferritelements 15 4 mm und die äußeren und inneren Durchmesser des ringförmigen Querschnitts sind 3 mm bzw. 1 mm. Der Stab 13 umfaßt auch eine zylindrische Halterung, die an einem Ende einen breiten Teil 17a, der in dieser Ausführungsform einen Durchmesser von 3 mm hat, und am anderen Ende einen schmalen Teil 17b, der in dieser Ausführungsform einen Durchmesser von 1 mm hat, aufweist. In zusammengesetzten Zustand tritt der schmale Teil 17b durch das Loch in der Mitte des Ferritelements 15, um die Befestigung durch Klebstoff des Ferritelements 15 an der Halterung des Stabes 13 zu verbessern. Das Ende des vom Ferritelement 15 abgewandten breiten Teils 17a ist mit dem gewölbten Teil der Membran 3 verbunden.
Die auf der mehrlagigen PCB 7 bereitgestellte Sendeantenne und die Empfangsantenne werden nun mit Bezug auf die 3 und 4 detaillierter beschrieben.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Teils der mehrlagigen PCB 7, auf dem die Leiterbahnen, die die Sendeantenne und die Empfangsantenne bilden, aufgebracht sind. In dieser Ausführungsform sind die aufgebrachten Bahnen 1 oz-Kupferbahnen, die eine Dicke von ungefähr 35 μm besitzen. Wie in 3 gezeigt, weist die mehrlagige PCB 7 vier beschichtete Substratschichten 21a–21d sowie fünf Leiterbahnenschichten (die zwei Außenflächen sowie die drei Oberflächen zwischen den vier Substratschichten) auf. In der üblichen Sprechweise wird die mehrlagige PCB 7 als fünflagige Leiterplatte bezeichnet, wobei sich "fünf" auf die Anzahl der Leiterbahnschichten bezieht. In dieser Ausführungsform ist die mehrlagige PCB 7 eine Leiterplatte des Typs FR₄, bei der jede Substratschicht eine Dicke von 0,5 mm hat. Die Öffnung 23 ist im Zentrum der mehrlagigen PCB 7 ausgebildet und in dieser Ausführungsform beträgt der Durchmesser der Öffnung 23 in der mehrlagigen PCB 7 4 mm.
Die Sendeantenne wird durch eine Cosinusspule 31 und eine Sinusspule 33 gebildet, die sich jeweils über mehrere Schichten der mehrlagigen PCB 7 erstrecken. Die Empfangsantenne wird durch eine Lesespule 35 gebildet, die ebenfalls über mehrere Schichten der mehrlagigen PCB 7 verteilt ist. Zur einfacheren Darstellung sind die Enden der Cosinusspule 31 der Sinusspule 33 und der Lesespule 35 in 3 von der mehrlagigen PCB 7 abgehoben gezeigt worden. In der Praxis sind die Cosinusspule 31, die Sinusspule 33 und die Lesespule 35 mit der Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 11 durch Leiterbahnen verbunden, die auf der mehrlagigen PCB 7 ausgebildet sind.
Die Cosinusspule 31 wird durch eine Leiterbahn gebildet, die bei einem ersten Endpunkt 37a auf der Oberfläche 39 der ersten Substratschicht 21a beginnt, und bildet eine erste Leiterschleife 41a auf der ersten Substratschicht 21a um die Öffnung 23. Die Leiterbahn tritt danach durch eine erstes Durchgangsloch 43a zur Oberfläche zwischen der zweiten Substratschicht 21b und der dritten Substratschicht 21c hindurch und bildet eine zweite Leiterschleife 41b um die Öffnung 23 auf der Oberfläche zwischen der zweiten Substratschicht 21b und der dritten Substratschicht 21c. Die Ausrichtung der zweiten Leiterschleife 21b um die Öffnung ist entgegengesetzt zu der Ausrichtung der ersten Leiterschleife 41a um die Öffnung 23. Die Leiterbahn tritt dann durch ein zweites Durchgangsloch 43b zur Oberfläche 45 der mehrlagigen PCB 7 hindurch, die der Oberfläche 39 gegenüberliegt, und bildet eine dritte Leiterschleife 41c um die Öffnung 23. Die Ausrichtung der dritten Leiterschleife 43c um die Öffnung 23 ist die gleiche wie die Ausrichtung der ersten Leiterschleife 41a um die Öffnung 23. Die Leiterbahn tritt dann durch ein drittes Durchgangsloch 43c zu einem zweiten Endpunkt 37b auf der Oberfläche 39 der ersten Schicht 21a.
Die Sinusspule 33 wird durch eine Leiterbahn gebildet, die bei einem ersten Endpunkt 47a auf der Oberfläche 39 der ersten Substratschicht 21a beginnt und durch ein viertes Durchgangsloch 43d zur Oberfläche zwischen der ersten Substratschicht 21a und der zweiten Substratschicht 21b hindurchtritt, und eine vierte Leiterschleife 41d um die Öffnung 23 bildet. Die Leiterbahn tritt dann durch ein fünftes Durchgangsloch 43e zur Oberfläche zwischen der dritten Substratschicht 21c und der vierten Substratschicht 21d hindurch bildet eine fünfte Leiterschleife 41e um die Öffnung 23 und tritt dann durch ein sechstes Durchgangsloch 43f zu einem zweiten Endpunkt 47b auf der Oberfläche 39 der ersten Substratschicht 21a hindurch. Die vierte Leiterschleife 41d umrundet die Öffnung 23 in der entgegengesetzten Richtung wie die erste Leiterschleife 41a und die fünfte Leiterschleife 41e umrundet die Öffnung in der gleichen Richtung wie die erste Leiterschleife 41a.
Wie schematisch in 4 gezeigt, wird, wenn ein Signal an die Cosinusspule 31 angelegt wird, ein magnetisches Feld erzeugt, das eine axiale Magnetfeldkomponente hat, die entlang der axialen Richtung Z variiert mit Maximalwerten an den Axialpositionen der ersten, zweiten und dritten Leiterschleife 41a, 41b, 41c und Minimalwerten an den Axialpositionen der vierten und fünften Leiterschleife 41d, 41e. Die Maximalwerte an den Axialpositionen der ersten und dritten Leiterschleife 41a, 41c haben die gleiche Polarität und haben eine entgegengesetzte Polarität gegenüber dem Maximalwert an der zweiten Leiterschleife 41b. Wenn ein Signal an die Sinusspule 33 angelegt wird, wird ein Magnetfeld erzeugt, das Maximalwerte umgekehrter Polarität an den Axialpositionen der vierten und fünften Leiterschleife 41d, 41e hat und Minimalwerte an den Axialpositionen der ersten, zweiten und dritten Leiterschleife 41a, 41b, 41c. Insbesondere wie in 4 gezeigt wird, variieren die Magnetfeldkomponenten entlang der axialen Richtung Z, die von der Cosinusspule 32 und der Sinusspule 33 erzeugt werden in im wesentlichen sinusähnlicher Weise mit einer Periode von etwas über 2 mm, aber um eine viertel Periode phasenverschoben. Die Periode ist etwas über 2 mm statt genau 2 mm, da die Sinusspule 33 und die Cosinusspule 31 keine unendliche Folge von Windungen umfassen.
Wenn man zu 3 zurückkehrt, wird in dieser Ausführungsform die Lesespule 35 durch eine Leiterbahn gebildet, die bei einem Endpunkt 49a auf der Oberfläche 39 der ersten Substratschicht 21a beginnt, eine sechste Leiterschleife 41f um die Öffnung 23 bildet und dann durch ein siebtes Durchgangsloch 43g zur Oberfläche 45 der vierten Substratschicht 21d hindurch tritt. Die Leiterbahn bildet dann eine siebte Leiterschleife 41g um die Öffnungen 23, die die Öffnungen in der gleichen Richtung umrundet wie die sechste Leiterschleife 41f. Die Leiterbahn tritt dann durch ein achtes Durchgangsloch 43h zu einem Endpunkt 49b auf der Oberfläche 39 der ersten Schicht 21a hindurch.
Bei diesem Aufbau befindet sich die Lesespule 35, in Abwesenheit des Ferritelements 15, im Gleichgewicht in Bezug sowohl auf die Cosinusspule 31 als auch auf die Sinusspule 33. Mit anderen Worten, in Abwesenheit des Ferritelements 15 ist die gesamte elektromotorische Kraft, die in der Lesespule 35 durch Strom, der durch die Cosinusspule 31 fließt, induziert wird, im wesentlichen Null, und in ähnlicher Weise ist die gesamte elektromotorische Kraft, die in der Lesespule 35 durch Strom, der durch die Sinusspule 33 fließt, induziert wird, im wesentlichen Null. Weiterhin bilden die sechste Leiterschleife 41f und die siebte Leiterschleife 41g in wirksamer Weise ein Paar von Helmholtz-Spulen. Ein solcher Aufbau hat den Vorteil, daß die Signalstärke des in der Lesespule 35 induzierten Signals nicht maßgeblich mit der Position des Ferritelements 15 variiert, denn wenn das in einer Leiterschleife induzierte Signal zunimmt, nimmt das in der anderen Leiterschleife induzierte Signal im etwa gleichen Maße ab.
Die Hauptkomponenten der Signalerzeugungs- und -verarbeitungsvorrichtung 11 werden nun mit Bezug auf 5 beschrieben.
Wie gezeigt gibt ein Quadratursignal-Generator 61 ein Quadraturpaar von Signalen bei einer Modulationsfrequenz f₁ an einen Modulator 63 aus, der das Quadraturpaar von Signalen benutzt, um ein Trägersignal bei einer Trägerfrequenz f₀ zu modulieren, das von einem Signalgenerator 65 erzeugt wird. In dieser Ausführungsform beträgt die Modulationsfrequenz f₁ 3,9 kHz und die Trägerfrequenz f₀ beträgt 2 MHz. Das Paar von modulierten Signalen wird einzeln in ein Paar von Spulentreibern 67a, 67b eingegeben, die die modulierten Signale stärken, um ein In-Phase-Signal I(t) und ein Quadratursignal Q(t) zu erzeugen.
Das In-Phase-Signal I(t) und das Quadratursignal Q(t) werden jeweils an die Sinusspule 33 und die Cosinusspule 31 angelegt. Wie bereits erläutert wurde, induzieren in Abwesenheit des Ferritelements 15 Signale, die durch die Cosinusspule 31 und die Sinusspule 33 fließen, ein vernachlässigbares Signal in der Lesespule 35. Das Ferritelement 15 verursacht allerdings eine lokalisierte Bündelung des magnetischen Feldes, die dazu führt, daß ein Signal in der Lesespule 35 induziert wird, welches mit der durchschnittlichen Position Z des Ferritelements 15 entlang der Meßrichtung z variiert. Insbesondere wird eine elektromotorische Kraft (electro-motive force = EMF) in der Lesespule 35 induziert, die in einem induzierten Lesesignal S(t) der folgenden Form resultiert.
Hierbei ist L die Periode der sinusähnlichen Variation der Komponente der Magnetfeldstärke entlang der Meßachse, die durch die Cosinusspule 33 und die Sinusspule 31 erzeugt wird. Das Lesesignal S(t) entspricht daher einem Signal mit der Modulationsfrequenz f₁, welches eine Phase hat, die linear mit der Position des Ferritelements 15 variiert, und das durch ein Signal bei der Trägerfrequenz f₀ moduliert wird.
Das Lesesignal S(t) wird in einen Demodulator 69 eingegeben, der das empfangene Lesesignal S(t) demoduliert, wobei er ein Signal bei der Trägerfrequenz f₀ vom Signalgenerator 65 benutzt, um ein demoduliertes Signal bei der Modulationsfrequenz f₁ zu erzeugen. Das vom Demodulator 69 ausgegebene demodulierte Signal wird in einen Phasendetektor 71 eingegeben, der die Phase des demodulierten Signals mißt, und die Phasenmessung an einen Positionsrechner 73 ausgibt.
Der Positionsrechner 73 bestimmt die Position des Ferritelements 15 aus der Phasenmessung, die vom Phasendetektor 71 ausgegeben wird. Insbesondere ist in dieser Ausführungsform die Position im wesentlichen proportional zur gemessenen Phase, und daher multipliziert der Phasenrechner die gemessene Phase einfach mit einem Kalibrierungsfaktor.
Zweite Ausführungsform
In der ersten Ausführungsform wird durch Aufbringen von Leiterbahnen zwischen den Schichten sowie auf den Oberflächen der mehrlagigen PCB 7, die parallel zu einem planen Substrat 5 ist, die sinusähnliche Variation entlang einer Meßrichtung z der magnetischen Feldstärkekomponenten senkrecht zum planen Substrat 5, die zur Cosinusspule 31 und zur Sinusspule 33 gehören, erreicht.
Eine zweite Ausführungsform wird nun mit Bezug auf die 6–9 beschrieben, bei der die fünflagige PCB 7 der ersten Ausführungsform durch eine zweilagige PCB 91 ersetzt ist, wobei die sinusähnliche Variation der magnetischen Feldstärkekomponenten senkrecht zum planen Substrat 5 durch eine Sinusspule und eine Cosinusspule erreicht wird, die durch Leiterbahnen gebildet werden, welche auf einer ersten Oberfläche 93 und einer zweiten Oberfläche 95 aufgebracht sind, die sich auf den beiden Seiten der einzelnen Substratschicht 91 befinden, sowie durch durchmetallisierte Durchgangslöcher, die durch die einzelne Substratschicht 91 hindurch treten. Die zweilagige PCB 91 hat eine Öffnung 97, durch die das Ferritelement 15 hindurch tritt. Die übrigen Komponenten der Tastschalterbaugruppe der zweiten Ausführungsform sind identisch mit den entsprechenden Komponenten der Tastschalterbaugruppe der ersten Ausführungsform und werden daher nicht noch einmal im Detail beschrieben.
6 und 7 zeigen jeweils Draufsichten der Leiterbahnen, die auf der ersten Oberfläche 93 und der zweiten Oberfläche 95 der zweilagigen PCB 91 aufgebracht sind, wobei zum einfacheren Verständnis beide Draufsichten aus Sicht der positiven z-Richtung gezeigt sind. In dieser Ausführungsform ist die zweilagige PCB 91 eine 2 mm dicke Schicht einer Leiterplatte vom Typ FR₄. Wie in der ersten Ausführungsform sind die Leiterbahnen 1 oz-Kupferbahnen.
Die Sinusspule wird durch eine Leiterbahn gebildet, die an einem ersten Sinusendpunkt 101a auf der ersten Oberfläche 93 beginnt und durch ein Durchgangsloch zu einer ersten Ausgleichsspule 103a auf der zweiten Oberfläche 95 hindurch tritt. Die Leiterbahn führt dann weiter zu einer ersten Sinuswicklung 105, die durch eine erste Reihe von radial abgesetzten konzentrischen gekrümmten Bahnen 105_1 gebildet wird, welche in einem ersten Quadranten der ersten Oberfläche 93 aufgebracht sind, wobei die Enden jeder Bahn mittels Durchgangslöchern mit den Enden einer zweiten Reihe von radial abgesetzten konzentrischen gekrümmten Bahnen 105_2 verbunden sind, welche auf der zweiten Oberfläche 95 der einlagigen PCB aufgebracht sind. Wie in 7 gezeigt, weist jede aus der zweiten Reihe von Bahnen 105_2 einen Knick auf, so daß die Enden jeder aus der zweiten Reihe von Leiterbahnen mit jeweils anderen Bahnen aus der ersten Reihe von Bahnen 105_1 verbunden sind. Auf diese Weise ist die erste Sinuswicklung 105 eine spiralförmige Leiterbahn bezüglich einer ersten radialen Achse (bezogen auf die Mitte der Öffnung 97) durch die zweilagige PCB 91.
Nach der ersten Sinuswicklung 105 tritt die Sinusspule durch eine zweite Sinuswicklung 107, die in einem zweiten Quadranten der zweilagigen PCB 91 ausgebildet ist, der dem ersten Quadranten gegenüberliegt. In gleicher Weise wie die erste Sinuswicklung 105 wird die zweite Sinuswicklung 107 durch eine Reihe von radial abgesetzten konzentrischen gekrümmten Bahnen 107_1 gebildet, die auf der ersten Oberfläche 93 der zweilagigen PCB 91 aufgebracht sind und deren Enden mittels Durchgangslöchern mit den Enden einer zweiten Reihe von radial abgesetzten konzentrischen gekrümmten Bahnen 107_2, die auf der zweiten Oberfläche 95 der zweilagigen PCB 91 aufgebracht sind, verbunden sind, wobei jede der ersten Reihe von Bahnen 107_1 mit einem Knick versehen ist, so daß die Enden jeder aus der ersten Reihe von Leiterbahnen 107_1 jeweils mit anderen Bahnen aus der zweiten Reihe von Bahnen 107_2 verbunden sind. Auf diese Weise bildet die zweite Sinuswicklung 107 eine spiralförmige Leiterbahn, die bezüglich einer zweiten radialen Achse durch die zweilagige PCB 91 ausgebildet ist, und die koaxial mit der ersten radialen Achse bezüglich derer die erste Sinuswicklung 105 ausgebildet ist, verläuft, wobei die zweite Sinuswicklung die gemeinsame Achse in entgegengesetzter Richtung umrundet wie die erste Sinuswicklung 105. Nach der zweiten Sinuswicklung 107 führt die Sinusspule weiter zu einem zweiten Sinusendpunkt 101b.
8 zeigt einen Graphen der magnetischen Feldstärkekomponente senkrecht zur Ebene der einlagigen PCB 91, die pro Einheit Strom, der durch die Sinusspule fließt, produziert wird, gekennzeichnet durch die durchgezogene Linie 151, verglichen mit einer Sinusfunktion, die eine Periode von 10 mm hat, gekennzeichnet durch die gestrichelte Linie 153. Wie gezeigt, stimmt die magnetische Feldkomponente 151 eng mit der Sinusfunktion 153 über einen Bereich von 6 mm um das Zentrum der einlagigen PCB überein.
Wenn man zu 6 und 7 zurückkehrt, beginnt die Cosinusspule bei einem ersten Cosinusendpunkt 111a und führt über eine zweite Ausgleichsspule 103b zu einer ersten Cosinuswicklung 113, die durch eine spiralförmige Leiterbahn gebildet wird, die in einem dritten Quadranten der zweiten Oberfläche 95 der zweilagigen PCB 91, welcher sich zwischen dem ersten und zweiten Quadranten befindet, aufgebracht ist. Die Cosinusspule fuhrt dann durch ein Durchgangsloch weiter zu einer zweiten Cosinuswicklung 115, welche durch eine spiralförmige Leiterbahn gebildet wird, die im dritten Quadranten der ersten Oberfläche 93 der zweilagigen PCB 91 aufgebracht ist. Die Cosinusspule ist führt dann weiter zu einer dritten Cosinuswicklung 117, die durch eine spiralförmige Leiterbahn gebildet wird, die in einem vierten Quadranten der zweiten Oberfläche 95 der zweilagigen PCB 91, welcher dem dritten Quadranten gegenüberliegt, aufgebracht ist, und tritt dann durch ein Durchgangsloch zu einer vierten Cosinuswicklung 119 hindurch, die durch eine spiralförmige Leiterbahn gebildet wird, die im vierten Quadranten der ersten Oberfläche 93 der zweilagigen PCB 91 aufgebracht ist.
Jede der ersten bis vierten Cosinuswicklungen umfaßt effektiv eine Reihe von inneren umlaufenden Bahnen und eine Reihe von äußeren umlaufenden Bahnen, die an den Enden durch radiale Bahnen verbunden sind. Ströme, die durch die inneren bzw. äußeren umlaufenden Bahnen fließen, erzeugen erste und zweite Anteile der magnetischen Feldstärkekomponente entlang der Bewegungsachse des Ferritelements 15 (welches durch die Öffnung in der zweilagigen PCB 91 hindurch tritt). Sowohl der erste Anteil als auch der zweite Anteil der magnetischen Feldstärkekomponente haben einen Maximalwert in der Mitte der Ebene der zweilagigen PCB 91, und nehmen mit zunehmendem Abstand von der zweilagigen PCB 91 entlang der Bewegungsachse des Ferritelements ab. Der Maximalwert des ersten Anteils hat eine größere Amplitude und eine umgekehrte Polarität gegenüber dem Maximalwert des zweiten Anteils, aber die Amplitude des zweiten Anteils nimmt langsamer mit dem Abstand von der einlagigen PCB 91 ab als die Amplitude des ersten Anteils. Die radialen Bahnen haben im wesentlichen keinen Effekt auf die magnetische Feldstärkekomponente entlang der Bewegungsachse des Ferritelements 15.
Auf diese Weise hat die magnetische Feldstärkekomponente entlang der Bewegungsachse des Ferritelements einen Maximalwert mit der Polarität des ersten Anteils, der durch die inneren umlaufenden Bahnen erzeugt wird, in der Ebene der zweilagigen PCB 91, und fällt an beiden Seiten der zweilagigen PCB 91 durch Null zu einem Maximalwert mit der Polarität des zweiten Anteils, der durch die äußeren umlaufenden Bahnen erzeugt wird, ab. In dieser Ausführungsform sind die zusätzlichen äußeren umlaufenden Bahnen, die die zweite Cosinuswicklung 115 mit der dritten Cosinuswicklung 117 sowie die vierte Cosinuswicklung 119 mit einem zweiten Cosinusendpunkt 111b verbinden, so ausgebildet, daß die magnetische Feldstärkekomponente entlang der Bewegungsrichtung des Ferritelements sich einer Cosinusfunktion dicht annähert. Insbesondere umfassen diese zusätzlichen äußeren umlaufenden Bahnen in etwa zwei Umläufe um die Außenseite der Sinus- und Cosinuswicklung.
9 zeigt einen Graphen der magnetischen Feldstärkekomponente senkrecht zur zweilagigen PCB 91, die pro Einheit Strom, der durch die Cosinusspule fließt, erzeugt wird, gekennzeichnet durch die durchgezogene Linie 161, und eine Cosinusfunktion mit einer Periode von 10 mm, gekennzeichnet durch die gestrichelte Linie 163. Wie gezeigt, stimmt die magnetische Feldstärkekomponente 161 eng mit der Cosinusfunktion 163 über einen Bereich von 6 mm überein.
Obwohl die Größen der magnetischen Feldstärkekomponenten, die pro Einheit Strom durch die Sinusspule und die Cosinusspule erzeugt werden, leicht unterschiedlich sind, kann die Amplitude der magnetischen Feldstärkekomponenten durch Ändern des Stroms, der durch die Sinusspule und die Cosinusspule fließt, eingestellt werden.
Die Lesespule beginnt bei einem ersten Leseendpunkt 121a auf der ersten Oberfläche und führt weiter über eine dritte Ausgleichsspule 103c zu einer ersten Lesewicklung 123, die durch eine Leiterbahn gebildet wird, die die Öffnung 97 auf der zweiten Oberfläche 95 umrundet. Die Lesespule führt anschließend weiter durch ein Durchgangsloch zu einer zweiten Lesewicklung 125, die durch eine Leiterbahn gebildet wird, die um die Öffnung 97 auf der ersten Oberfläche 93 im gleichen Sinn herumführt wie die ersten Lesewicklung. Die Lesespule führt dann von der zweiten Lesewicklung 125 über eine vierte Ausgleichsspule 103d zu einem zweiten Leseendpunkt 121b. Die erste Lesewicklung 123 und die zweite Lesewicklung 125 bilden in wirksamer Weise ein Paar von Helmholtz-Spulen.
Die erste bis vierte Ausgleichsspule 103 wurden eingefügt, um sicherzustellen, daß in Abwesenheit des Ferritelements 15 die Lesespule sich sowohl bezogen auf die Sinusspule als auch auf die Cosinusspule im Gleichgewicht befindet.
Wie bereits erwähnt wurde, ist die Signalerzeugungs- und Bearbeitungsschaltung für die zweite Ausführungsform identisch mit der Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung der ersten Ausführungsform. Daher besitzt, wie bei der ersten Ausführungsform, das in der Lesespule induzierte Signal eine Phase, die entsprechend der Position des Ferritelements entlang der Meßrichtung variiert. Insbesondere wurde gefunden, daß der Zusammenhang zwischen der Phase des Lesesignals und der Position des Ferritelements 15 näherungsweise linear über einen Bereich von 4 mm ist und daß innerhalb dieses Bereiches die Position des Ferritelements 15 mit einer Auflösung von in etwa 10 μm bestimmt werden kann.
Dritte Ausführungsform
Die erste und zweite Ausführungsform beschreiben Tastschalterbaugruppen. Die Erfindung kann jedoch auf andere Typen von Mensch-Maschine-Schnittstellen angewandt werden. Eine dritte Ausführungsform der Erfindung wird jetzt mit Bezug auf 10 beschrieben, indem der induktive Sensor der ersten Ausführungsform in einer Drehschalterbaugruppe 171 eingearbeitet ist.
Wie in 10 gezeigt, besitzt die Drehschalterbaugruppe 171 einen Schaltkopf 173, der an einem langgestreckten zylindrischen Schaft 175 angebracht ist, welcher wiederum drehbar in einer Vertiefung eines Armaturenbretts 177 angebracht ist. Insbesondere ist am Ende des in die Vertiefung eingesetzten Schafts 175 ein Flansch 179 ausgebildet. Der Flansch 179 greift so in einen Flansch 181 der an der inneren Oberfläche der Vertiefung ausgebildet ist, daß dies Drehbewegungen des Schafts 175 bezüglich seiner Längsachse erlaubt, jedoch axiale Bewegungen des Schafts 175 entlang seiner Längsachse unterbindet.
Der Schaltkopf 173 umfaßt einen Buchsenabschnitt 181, in dem der Schaft 175 angebracht ist, und der teilweise in die Vertiefung im Armaturenbrett 177 eingeführt ist. Der Buchsenabschnitt umfaßt ein Schraubengewinde 183, das die äußere zylindrische Oberfläche des Abschnitts der Buchse 181 umläuft, der in die Vertiefung des Armarturenbretts 177 eingeführt ist.
Die Vertiefung im Armaturenbrett 177 besitzt einen eingeschnürten Bereich 185, der an den Gewindeteil der Buchse 181 angrenzt. Der eingeschnürte Bereich 185 definiert im wesentlichen eine zylindrische Kavität zwischen der Buchse 181 und der Vertiefung im Armaturenbrett 177, in welcher eine hohle zylindrische Ferrithülse 187 eingeführt ist. Eine Rippe 189 ist an der inneren Oberfläche der Vertiefung ausgebildet und greift so in eine entsprechende Nut, die an der äußeren zylindrischen Oberfläche der Ferrithülse 187 ausgebildet ist, daß hierdurch Drehbewegungen der Ferrithülse 187 unterbunden werden, wenn sich der Schaft 175 dreht, während axiale Bewegungen möglich sind. Die innere zylindrische Oberfläche der Ferrithülse 187 besitzt ein Innengewinde, welches in das Schraubengewinde 183, das in der Buchse 181 ausgebildet ist, greift und somit übt, wenn der Schalterkopf 171 sich dreht, die entsprechende Drehung des Gewindeabschnitts der Buchse 181 eine Kraft auf die Ferrithülse 187 aus und verursacht hierdurch eine axiale Bewegung der Ferrithülse 187.
Eine fünflagige PCB 191 ist um den vertieften Abschnitt des Armaturenbretts 177 angrenzend an die Ferrithülse 187 ausgebildet. Eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne sind auf der fünflagigen PCB 191 ausgebildet und sind mit einer Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 193 verbunden, die auf einer separaten PCB ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform sind Sendeantenne, Empfangsantenne und Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung im wesentlichen identisch mit den entsprechenden Komponenten der ersten Ausführungsform. Daher kann durch Überwachen des in der Empfangsantenne induzierten Signals, wenn die Sendeantenne ein magnetisches Feld erzeugt, die axiale Position der Ferrithülse von der Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 193 ermittelt werden. Da jede axiale Position zu einer entsprechenden anderen Drehposition des Schaltkopfes 171 korrespondiert, kann die Drehposition des Schaltkopfes 171 mittels der axialen Position der Ferrithülse 187 bestimmt werden.
Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform ist, daß ein Rotationsbereich des Schaltkopfes 171, der eine volle Umdrehung überschreitet unzweideutig erfaßt werden kann.
Vierte Ausführungsform
In der ersten bis dritten Ausführungsform umfaßt eine Mensch-Maschine-Schnittstelle einen induktiven Sensor, in dem die Phase eines Signals, das in einer Lesespule aufgrund eines Erregersignals induziert wird, das an zwei Erregerspulen angelegt wird, gemessen wird, um die Position des Ferritelements 15 zu bestimmen. Es könnten allerdings auch andere Formen von induktiven Sensoren benutzt werden, um die Position des Ferritelements 15 zu bestimmen.
Mit Bezug auf die 11 und 12 wird nun eine dritte Ausführungsform beschrieben, bei der ein Aufbau vom Typ des linear variablen Differentialtransformators (LVDT) in einer Tastschalterbaugruppe genutzt wird, um die Position des Ferritelements 15 festzustellen. Der einzige Unterschied zwischen der Tastschalterbaugruppe der dritten Ausführungsform und der Tastschalterbaugruppe der ersten Ausführungsform ist, daß die mehrlagige PCB und die Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung der ersten Ausführungsform durch eine alternative mehrlagige PCB und Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung ersetzt werden. Die verbleibenden Komponenten der Tastschalterbaugruppe der dritten Ausführungsform sind identisch mit den entsprechenden Komponenten der Tastschalterbaugruppe der ersten Ausführungsform und werden daher nicht noch einmal im Detail beschrieben.
In der dritten Ausführungsform ist die mehrlagige PCB 201 eine dreilagige Leiterplatte vom Typ FR₄, bei der jede Schicht von Leiterbahnen auf einer jeweiligen Substratschicht mit einer Dicke von 0,67 mm aufgebracht ist. Eine Öffnung 203 durchtritt vollständig die Mitte der mehrlagigen PCB 201. In dieser Ausführungsform besitzt die Öffnung 203 einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 5 mm.
Eine Kupferleiterbahn wird durch Ätzen auf jeder Schicht der mehrlagigen PCB 201 erzeugt. Wie schematisch in 11 gezeigt, die aus Darstellungsgründen die auf drei isolierenden Schichten der mehrlagigen PCB ausgebildeten Leiterbahnen zeigt, als wären diese auf einer einzigen Schicht ausgebildet, bildet jede Leiterbahn eine kranzförmige Wicklung um das Loch. In dieser Ausführungsform ist der innere Durchmesser jeder kranzförmigen Wicklung 6 mm und der äußere Durchmesser jeder kranzförmigen Wicklung ist 15 mm.
Die Leiterbahn auf der mittleren isolierenden Schicht bildet eine Eingangsspule 205 mit einer Induktivität von 5 μH und die Leiterbahnen, die auf den jeweils äußeren isolierenden Schichten ausgebildet sind, bilden ein abgestimmtes Paar von Ausgangsspulen 207, 209, von denen jede eine Induktivität von 5 μH hat. Da jede Leiterbahn auf einer jeweils anderen isolierenden Schicht der PCB ausgebildet ist, sind die Leiterbahnen in 0,67 mm-Intervallen gestaffelt entlang der Richtung senkrecht zur Ebene der PCB. Der Ferritstab 15 tritt durch die Öffnung 203 in der mehrlagigen PCB 201. Die wechselseitige Induktion zwischen der Eingangsspule 205 und jeder der Ausgangsspulen 207, 209 variiert daher in Abhängigkeit von der Position des Ferritstabs 15, welche sich wiederum in Folge der Bedienung der Tastschalterbaugruppe durch einen Benutzer ändert.
Wie in 12 gezeigt, umfaßt in dieser Ausführungsform die Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung einen Wechselstromsignalgenerator 221, der ein Wechselstromsignal mit einer Frequenz von 2 MHz an die Eingangsspule 205 anlegt, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, das ein oszillierendes Signal in jeder der Ausgangsspulen 207, 209 erzeugt. Die Amplitude des oszillierenden Signals, das in jeder der Ausgangsspulen 207. 209 induziert wird, hängt von der wechselseitigen Induktivität zwischen der Eingangsspule 205 und dieser Ausgangsspule ab. Insbesondere nimmt, wenn die Signalstärke in einer der Ausgangsspulen mit der Bewegung des Ferritelements 15 zunimmt, die Signalstärke in der anderen der Ausgangsspulen ab.
Die in den Ausgangsspulen 207, 209 induzierten Signale werden in einen Komparator 223 eingegeben, der ein pulsbreitenmoduliertes Signal mit einem Tastverhältnis ausgibt, das in Abhängigkeit von der Amplitudendifferenz zwischen den zwei induzierten Signalen variiert. Das Tastverhältnis des pulsbreitenmodulierten Signals ist daher kennzeichnend für die Position des Ferritelements 15. Das pulsbreitenmodulierte Signal wird in einen Positionsrechner 225 eingegeben, der das Tastverhältnis unter Verwendung einer vorab gespeicherten Nachschlagetabelle in einen Positionswert umgewandelt.
In dieser Ausführungsform variiert das Tastverhältnis des pulsbreitenmodulierten Signals in etwa linear mit der Position des Ferritelements 15 in der Meßrichtung über einen Bewegungsbereich des Ferritelements 15 entlang der Meßrichtung von ungefähr 8 mm.
Modifikationen und weitere Ausführungsformen
In der ersten bis dritten Ausführungsform umfaßt die Tastschalterbaugruppe eine flexible Membran, die sich über einer Öffnung in einer ABS-Konsole wölbt. Andere mechanische Anordnungen sind möglich. Z. B. ist in den 13 und 14 ein alternativer Aufbau der Tastschalterbaugruppe dargestellt.
Wie in 13 und 14 gezeigt, umfaßt die alternative Tastschalterbaugruppe 301 eine plane ABS-Konsole 303 mit einer darin ausgebildeten Öffnung, die von einer kreisförmigen Membran 305 bedeckt wird, die in dieser Ausführungsform aus Neopren hergestellt ist. Die kreisförmige Membran 305 bietet die Vorteile, die inneren Komponenten der Tastschalterbaugruppe 301 gegenüber der Außenseite abzuschirmen, und einem Benutzer, der die Tastschalterbaugruppe bedient, ein warmes Gefühl zu bieten.
Ein federnd verformbarer Ausläufer 307 ragt von der planen Konsole 303 zum Zentrum der Öffnung vor. Ein Stab 309, der ein Ferritelement 311 umfaßt, ist am Ende des Ausläufers 307 angebracht, und ragt von der planen Konsole 303 in eine Richtung vor, die im wesentlichen senkrecht zur Ebene der planen Konsole 303 ist. Auf diese Weise bewegt sich, wenn ein Benutzer die kreisförmige Membran 305 drückt, der Ausläufer 307 (und somit das Ferritelement 311) weg von der planen Konsole 303 entlang einer Meßrichtung, die im wesentlichen senkrecht zur Ebene der planen Konsole 303 ist.
Ein Träger 313 ragt von der ABS-Konsole 303 auf und trägt eine mehrlagige PCB 315 mit darauf ausgebildeten Leiterbahnen 317. Die Leiterbahnen 317 sind mit einer Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 319 verbunden. In dieser Ausführungsform sind die Leiterbahnen 317 und die Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung 319 im wesentlichen identisch mit den Leiterbahnen und der Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung der ersten Ausführungsform. Das Ferritelement 311 tritt durch die Öffnung in der mehrlagigen PCB 315 und daher wird eine Bewegung des Ferritelements 311 entlang der Meßrichtung durch die Signalerzeugungs- und -verarbeitungschaltung 319 auf die gleiche Art festgestellt, wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben wurde.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen ist eine Tastschalterbaugruppe oder eine Drehschalterbaugruppe in ein planes ABS-Armaturenbrett integriert. Im allgemeinen kann jede Form von starrer Platte genutzt werden. Weiterhin könnte auch eine Platte, die durch Anwenden von Druck verformt werden kann, benutzt werden, in welchem Fall der Stab der das Ferritelement umfaßt, direkt an der Platte angebracht werden kann und eine Membran nicht erforderlich ist.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird ein Ferritelement als zwischengeordnetes Kopplungselement zwischen einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne benutzt. Es versteht sich, daß jede andere magnetisch permeable Substanz benutzt werden kann, z. B. ein Gewindestift, ein Nagel oder eine Krampe. Wenn das Armaturenbrett aus einem magnetisch permeablen Material wie Weichstahl gemacht ist, kann sogar ein verformbarer Teil des Armaturenbretts als zwischengeordnetes Kopplungselement benutzt werden.
Andere Typen von zwischengeordneten Kopplungselementen können benutzt werden, z. B. ein leitendes Element oder eine Leiterschleife. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 15 gezeigt, ersetzt ein Schwingkreis 351, der durch eine Induktivität 353 und eine Kapazität 355 gebildet wird, das Ferritelement in den beschriebenen Ausführungsformen, wobei die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 355 gleich der Trägerfrequenz f₀ des Erregersignals ist, das an die Sinusspule und die Cosinusspule angelegt wird. Der Schwingkreis 351 läßt hohe Signalstärken bei der Trägerfrequenz zu, während er Signale bei anderen Frequenzen herausfiltert. Der Demodulator 69 muß allerdings eine 90° Phasenverschiebung in dem Lesesignal berücksichtigen, die durch den Schwingkreis 351 eingeführt wird. Alternativ könnte der Schwingkreis zusätzlich zum Ferritelement benutzt werden.
Obwohl in den beschriebenen Ausführungsformen plane Antennen auf Leiterplatten ausgebildet sind, könnten alternativ plane Antennen auf anderen planen Substraten ausgebildet sein. Allerdings ist die Benutzung von Leiterplatten bevorzugt aufgrund der Ausgereiftheit der Herstellungsverfahren für Leiterplatten, die die Herstellung von Antennen hoher Qualität bei relativ geringen Kosten erlauben.
In der ersten Ausführungsform wird die Empfangsantenne des Axialpositionskodierers durch Leiterschleifen auf den Oberflächen der mehrlagigen PCB gebildet. Es versteht sich, daß die Empfangsantenne auch eine oder mehrere Leiterschleifen auf zwischenliegenden Flächen der mehrlagigen PCB umfassen kann.
In der zweiten Ausführungsform ist eine erste Erregerspule um eine in der Ebene liegende Achse der PCB herum ausgebildet und eine zweite Erregerspule ist um eine senkrecht auf der Ebene der PCB stehende Achse herum ausgebildet. Es versteht sich, daß diese Achsen relativ zur PCB gedreht werden könnten, und im weitesten Sinne nur quer zueinander stehen müssen, um eine gewünschte Änderung im Magnetfeld entlang der Meßrichtung zu erreichen.
Der Axialpositionswertgeber der ersten Ausführungsform hat eine Sinusspule und eine Cosinusspule, die durch einzelne Leiterschleifen auf jeweiligen Flächen der mehrlagigen PCB gebildet werden. In alternativen Ausführungsformen besitzen die Sinusspule und die Cosinusspule mehrere Leiterschleifen, die auf jeweiligen Oberflächen der mehrlagigen PCB ausgebildet sind.
Weiterhin kann die mehrlagige PCB eine andere Anzahl von Schichten aufweisen. In einer Ausführungsform hat die mehrlagige PCB mehr als fünf Schichten und die Anzahl der Leiterschleifen auf jeder Fläche für die Sinusspule und die Cosinusspule variiert entlang der axialen Richtung, um axiale Magnetfeldkomponenten zu erzeugen, die entsprechender der Sinusfunktion bzw. der Cosinusfunktion variieren.
In der ersten Ausführungsform wird ein Trägersignal bei 2 MHz mit einem Modulatorsignal bei 3,9 kHz moduliert. Typischerweise kann das Trägersignal in einem Bereich von 500 kHz bis 10 MHz und das Modulatorsignal in einem Bereich von 10 kHz bis 100 kHz sein. In einer alternativen Ausführungsform hat das Trägersignal eine Frequenz von 2 MHz und das Modulatorsignal hat eine Frequenz von 2,5 kHz.
In der ersten und dritten Ausführungsform umfassen die Sendeantenne und die Empfangsantenne Leiterbahnen, die auf mehr als drei parallelen Ebenen ausgebildet sind, insbesondere Oberflächen und zwischen den Schichten liegende Flächen einer mehrlagigen PCB. Anstatt ein mehrlagiges planes Substrat zu benutzen, könnten auch mehrere einzelne plane Substrate benutzt werden. Allerdings ist es aufgrund der einfachen Herstellung bevorzugt, ein mehrlagiges planes Substrat zu benutzen.
In der ersten bis dritten Ausführungsform umfaßt die Sendeantenne zwei Erregerspulen und die Empfangsantenne umfaßt eine einzelne Lesespule. Das in der Lesespule induzierte Signal hängt vom Verhältnis der elektromagnetischen Kopplung zwischen (i) der Sinusspule und der Lesespule, und (ii) der Cosinusspule und der Lesespule ab. Eine solche ratiometrische Messung ist vorteilhaft, da sie weniger anfällig gegenüber Änderung der elektromagnetischen Kopplung aufgrund von Umgebungsfaktoren ist.
In einer alternativen Ausführungsform umfaßt die Sendeantenne eine einzelne Erregerspule und die Empfangsantenne umfaßt ein Paar von Lesespulen, wobei eine ratiometrische Messung durch Vergleich der beiden Signale ausgeführt wird, die in den zwei Lesespulen induziert werden.
In der dritten Ausführungsform wird der Schaft 175 daran gehindert, sich axial zu bewegen, und eine Hülse 187, die durch ein Gewinde mit dem Schaft 175 gekoppelt ist, wird daran gehindert, sich mit dem Stab 175 zu drehen, so daß eine Drehbewegung des Schafts 175 eine axiale Bewegung der Hülse 187 hervorruft. In einer alternativen Ausführungsform ist ein Schaft direkt in eine Vertiefung eingeschraubt, wobei der Schaft ein Ferritbereich besitzt, so daß die Sendeantenne und die Empfangsantenne der Leiterplatte direkt axiale Bewegungen des Schafts messen, wenn der Schaltkopf gedreht wird.
In der vierten Ausführungsform wird ein bestimmtes Beispiel eines Sensors vom Typ eines linear variablen Differential-Transformators (LVDT) beschrieben. Dieses besondere Beispiel kann auf viele Arten modifiziert werden ohne sich von der Erfindung zu entfernen. Allgemein wurde gefunden:

1. Die exakte Position des Ferritelements innerhalb des Lochs in der PCB ist nicht kritisch.
2. Der äußere Durchmesser der Spule sollte von derselben Ordnung sein wie die Länge des Ferritstabs. In bevorzugten Ausführungen beträgt der äußere Durchmesser der Spulen das 0,5- bis 2-fache der Länge des Ferritstabs.
3. Die von den Spulen bedeckte Fläche sollte in etwa 2–10 mal so groß sein wie die Fläche des Lochs.
4. Das AC-Signal, welches an die Eingangsspule angelegt wird, ist bevorzugter Weise im Frequenzbereich von 100 kHz bis 5 MHz.
5. Ein angemessen linearer Meßbereich von bis zu dem 1,5-fachen des Durchmessers des Lochs kann erreicht werden.

In der vierten Ausführungsform besitzt der LVDT eine Eingangsspule und zwei Ausgangsspulen, wobei ein Erregersignal an die Eingangsspule angelegt wird, um Signale in der Ausgangsspule zu induzieren. Für Fachleute ist es klar, daß auch andere LVDT-Konfigurationen benutzt werden könnten. Z. B. könnten zusammenpassende Spulen auf jeder Seite einer Leiterplatte ausgebildet sein, wobei die zusammenpassenden Spulen miteinander in Reihe geschaltet sind und parallel mit einem Paar von zusammenpassenden Widerständen, um eine Brückenanordnung zu bilden. Auf diese Weise kann, indem die Potentialdifferenz zwischen dem Verbindungspunkt zwischen den zwei Spulen und dem Verbindungspunkt zwischen den zwei Widerständen überwacht wird, wenn ein oszillierendes Signal entlang der zwei Spulen angelegt wird, die Position eines Ferritstabs bestimmt werden, der sich durch ein Loch in der Leiterplatte bewegt, um welches die Spulen ausgebildet sind.
In der dritten Ausführungsform gibt der Komparator ein pulsbreitenmoduliertes Signal aus, dessen Tastverhältnis mit der Position des Ferritstabs variiert. Es könnten allerdings andere Formen von digitalen Datenströmen vom Komparator ausgegeben werden.
In der ersten bis vierten Ausführungsform variiert das vom induktiven Sensor ausgegebene Signal in etwa linear mit der Position des Ferritelements über einen Meßbereich, und daher muß das vom induktiven Sensor ausgegebene Signal nur mit einem Kalibrierungsfaktor multipliziert werden, um eine Positionsmessung zu erhalten. Wenn der Meßbereich erweitert wird, so daß die Ausgabe des induktiven Sensors nicht länger linear mit der Position variiert, dann kann eine Nachschlagetabelle benutzt werden, um das Ausgabesignal in eine Positionsmessung umzuwandeln.
In der ersten bis vierten Ausführungsform umfaßt eine Tastschalterbaugruppe einen Positionssensor, der plane Antennen benutzt, um die Auslenkung entlang eines Wegs, der die Ebene der Antennen schneidet, zu messen. Der Bereich der Auslenkung hängt von der axialen Ausdehnung des magnetischen Feldes ab, das von der Sinusspule und der Cosinusspule erzeugt wird. Der Meßbereich kann erweitert werden, in dem man mehr als einen Positionskodierer benutzt. 16a und 16b zeigen eine Ausführungsform, in der zwei mehrlagige PCBs 401a, 401b im Abstand voneinander angebracht sind, wobei ihre Ebenen parallel sind, und wobei jede mehrlagige PCB 401 identisch mit der mehrlagigen PCB ist, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wird. Wie gezeigt, ragt ein Stab 403 senkrecht von einer ebenen Oberfläche 405 durch in den PCBs 401 ausgebildete Löcher auf.
Der Stab 403 ist im wesentlichen isolierend abgesehen von zwei Ferritbereichen 405a, 405b, die in einem Abstand angebracht sind, der weniger als der Abstand zwischen den zwei PCBs 401a, 401b beträgt. Insbesondere sind die zwei Ferritbereiche in einem solchen Abstand angebracht, daß wenn der erste Ferritbereich 405a innerhalb des tatsächlichen zur ersten PCB 401a gehörigen Meßbereichs ist, wie in 16a gezeigt, der zweite Ferritbereich 405b sich außerhalb des tatsächlichen zur zweiten PCB 401b gehörenden Meßbereichs befindet. Wenn allerdings der erste Ferritbereich 405a den Meßbereich der ersten PCB 401a in Richtung der zweiten PCB 401b verläßt, tritt der zweite Ferritbereich 405b in den Meßbereich der zweiten Leiterplatte 401b ein, wie in 16b gezeigt. Auf diese Weise kann der effektive lineare Meßbereich fast verdoppelt werden. Fachleuten wird klar sein, daß der lineare Meßbereich noch weiter vergrößert werden könnte, indem man wahlweise oder gleichzeitig zusätzliche magnetische Bereiche und zusätzliche Leiterplatten verwendet.
Obwohl in den beschriebenen Ausführungsformen Öffnungen in den PCB-Substraten ausgebildet sind und das Ferritelement sich durch die Öffnung bewegt, ist dies nicht unabdingbar. Z. B. werden, wie in 8 und 9 gezeigt, für die zweite Ausführungsform magnetische Feldstärkekomponenten senkrecht zum PCB-Substrat erzeugt, die in etwa gemäß einer Sinusfunktion und einer Cosinusfunktion bis zu einer Entfernung von in etwa 2 mm auf jeder Seite des PCB-Substrats variieren. Daher muß sich das Ferritelement nicht physisch durch das PCB-Substrat bewegen, damit seine Position gemessen werden kann.
In der ersten bis dritten Ausführungsform erzeugt die Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung ein In-Phase-Signal I(t) und ein Quadratursignal Q(t), die ein Trägersignal bei einer Trägerfrequenz umfassen, welches mit einem jeweiligen Modulatorsignal bei einer Modulationsfrequenz moduliert wird, die deutlich kleiner ist als die Trägerfrequenz. Die Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung mißt auch die Phase einer Komponente eines Lesesignals S(t) bei der Modulationsfrequenz, um einen Positionswert zu bestimmen. Wie in der Internationalen Anmeldung WO 03/038379 , deren gesamter Inhalt hiermit unter Verweis einbezogen wird, diskutiert wird, kombi niert diese Anordnungen in vorteilhafter Weise die Vergrößerung der Kopplung zwischen einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne, die sich aus einer relativ hohen Trägerfrequenz ergibt, mit den einfachen Signalverarbeitungsverfahren, die benutzt werden, um die Phase eines Signals bei einer niedrigeren Modulationsfrequenz zu messen.
Die Tastschalterbaugruppen, die bisher beschrieben wurden, könnten mit einer Reihe von ähnlichen Tastschalterbaugruppen, die vorzugsweise eine gemeinsame flexible Membran und eine gemeinsame mehrlagige PCB benutzen, kombiniert werden, um eine Tastatur zu bilden.
Die Mensch-Maschine-Schnittstellen, die bisher beschrieben wurden, können als Teil einer Benutzerschnittstelle in vielen verschiedenen Maschinen benutzt werden. Z. B. könnte die Mensch-Maschine-Schnittstelle einen Teil eines Trainingsgerätes, wie eines Laufbandes oder einer Rudermaschine, bilden. Als ein weiteres Beispiel könnte die Mensch-Maschine-Schnittstelle einen Teil eines Haushaltsgeräts, wie einer Waschmaschine oder einer Spülmaschine, bilden. Weiterhin könnte die Mensch-Maschine-Schnittstelle einen Teil von medizinischer Ausrüstung bilden.
Wenn die Tastschalterbaugruppe einen Teil einer Benutzerschnittstelle bildet, die vibrieren kann, wenn das zugehörige Gerät benutzt wird, ist es bevorzugt, daß der mechanische Entwurf der Tastschalterbaugruppe keine Schwingungsresonanzfrequenz besitzt, die einer zu erwartenden Frequenz von Schwingungen des zugehörigen Geräts entspricht. Wenn mehrere Tastschalter auf einem gemeinsamen Substrat bereitgestellt werden, kann die Vibrationsbewegung aller Tastschalter ermittelt werden, in dem die gemeinsame Bewegung identifiziert wird. Die Bedienung eines der Tastschalter durch einen Benutzer kann dann durch Identifikation von Nichtübereinstimmungen zwischen der Bewegung des bedienten Tastschalters und den anderen Tastschaltern ermittelt werden.
Es ist klar, daß wenn mehrere Mensch-Maschine-Schnittstellen auf einem gemeinsamen Armaturenbrett ausgebildet sind, wobei jede Mensch-Maschine-Schnittstelle einen jeweiligen induktiven Sensor hat, vom Benutzer eine gemeinsame Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung gemäß einer Multiplexierungsanordnung für alle induktiven Sensoren benutzt werden könnte. Weiterhin könnte die Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung für andere induktive Sensoren in der Vorrichtung, z. B. Vibrationssensoren und Temperatursensoren, benutzt werden.
Es versteht sich, daß bei allen Ausführungsformen, die den Positionssensor der ersten Ausführungsform umfassen, der Positionssensor der zweiten Ausführungsform anstelle des Positionssensors der ersten Ausführungsform benutzt werden könnte.
Die vorliegende Erfindung soll nicht auf die bisher beschriebenen Ausführungsformen beschränkt werden. Andere Modifikationen und Ausführungsformen sind für den Fachmann offensichtlich.

Claims

Positionssensor, umfassend: mindestens ein planes Substrat (7, 315), auf dem eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne ausgebildet sind; und ein zwischengeordnetes Kopplungselement (15), das dazu ausgelegt ist, relativ zu dem mindestens einen planen Substrat (7, 315) entlang einer Messrichtung quer zum planen Substrat (7, 315) bewegt zu werden; wobei gemäß der Position des zwischengeordneten Kopplungselements (15) entlang der Messrichtung die elektromagnetische Kopplung zwischen der Sendeantenne und der Empfangsantenne variiert, und wobei mindestens die Sendeantenne oder die Empfangsantenne eine erste Spule (119, 115) um eine erste Achse und eine zweite Spule (107-1, 105-1) um eine zweite Achse, die zur ersten Achse quer ist, aufweist.
Positionssensor nach Anspruch 1, wobei die erste Achse und die zweite Achse senkrecht aufeinander stehen.
Positionssensor nach Anspruch 2, wobei die erste Achse senkrecht zum planen Substrat ist und die zweite Achse in der Ebene des planen Substrats ist.
Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messrichtung senkrecht zu dem oder jedem planen Substrat ist.
Positionssensor nach Anspruch 4, wobei das oder jedes plane Substrat eine Öffnung hat, die dort hindurch ausgebildet und mit der Messrichtung ausgerichtet ist.
Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zwischengeordnete Kopplungselement einen magnetisch permeablen Körper umfasst.
Positionssensor nach Anspruch 6, wobei der magnetisch permeable Körper ein Ferritelement ist.
Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das zwischengeordnete Kopplungselement einen Schwingkreis umfasst.
Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das plane Substrat eine Leiterplatte ist.
Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sendeantenne eine erste Erregerspule und eine zweite Erregerspule umfasst, wobei die erste Erregerspule mindestens eine Spule umfasst, die um eine erste Achse herum angeordnet ist, die in der Ebene des planen Substrats ist, so dass auf einen durch die erste Erregerspule fließenden Strom ein Magnetfeld erzeugt wird, das eine Komponente entlang der Messrichtung hat, die gemäß einer ersten Funktion variiert, und wobei die zweite Erregerspule mindestens eine Spule umfasst, die um eine zweite Achse herum angeordnet ist, die senkrecht zur Ebene des planen Substrats ist, so dass auf einen durch die zweite Erregerspule fließenden Strom ein Magnetfeld erzeugt wird, das eine Komponente entlang der Messrichtung hat, die gemäß einer zweiten Funktion variiert, die sich von der ersten Funktion unterscheidet.
Positionssensor nach Anspruch 10, wobei über einen Messbereich die erste Funktion im Wesentlichen eine Sinusfunktion und die zweite Funktion im Wesentlichen eine Cosinusfunktion ist.
Positionssensor nach Anspruch 10 oder 11, wobei die erste Erregerspule ferner eine erste Spule und eine zweite Spule um die erste Achse herum umfasst, wobei die zweite Spule auf der zur ersten Sinusspule entgegengesetzten Seite der Messrichtung ist.
Positionssensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die zweite Erregerspule eine erste Spule und eine zweite Spule umfasst, wobei die zweite Spule auf der zur ersten Spule entgegengesetzten Seite der Messrichtung ist.
Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sendeantenne und die Empfangsantenne durch Leiterbahnen gebildet werden, die auf einer ersten planen Oberfläche und einer zweiten planen Oberfläche auf den beiden Seiten eines planen Einschichtsubstrats und durch durchplattierte Durchgangslöcher im Einschichtsubstrat ausgebildet werden.
Mensch-Maschinen-Schnittstelle, umfassend einen Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Tastschalter, umfassend einen Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Tastatur, umfassend eine Vielzahl von Tastschaltern nach Anspruch 16.
Tastatur nach Anspruch 17, wobei die Vielzahl von Tastschaltern ein gemeinsames planes Substrat umfasst.
Tastatur nach Anspruch 17 oder 18, wobei das zwischengeordnete Kopplungselement eines jeden Tastschalters mit einer gemeinsamen Membran verbunden ist.
Drehwertgeber, umfassend: eine in einer Lagerung angebrachte Welle zur Drehbewegung um eine Achse; und einen Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das zwischengeordnete Kopplungselement des Positionssensors so mit der Welle gekoppelt ist, dass sich das zwischengeordnete Kopplungselement in Reaktion auf eine Drehbewegung der Welle entsprechend entlang der Drehachse bewegt.
Drehschalter, umfassend einen Drehwertgeber nach Anspruch 20.