JP6534738B2 - 位置検出器、位置測定装置、およびそのための作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子式の位置測定装置のための位置検出器に関する。さらに本発明は、電子式の位置測定装置に関する。

さらに本発明は、このような種類の位置検出器のための作動方法、およびこのような種類の位置測定装置のための作動方法に関する。

特許文献１より、受動的な位置検出器を使用するために構成された、位置測定のためのセンサ器具が公知である。受動的な位置検出器は共振回路を有していて、これが従来型のセンサ器具の送信信号により励起され、その出力信号を公知のセンサ器具の受信コイルへ入力結合可能である。従来型のセンサ器具は、位置測定に関してダイナミクスと解像度とが比較的低い。

欧州特許第１４４２２７３Ｂ１号明細書

本発明の課題は、改良された位置検出器および改良された位置測定装置、ならびに改良されたそのための相応の作動方法を提供することにある。

位置検出器に関して、本発明は、請求項１に記載の構成要件組合せによってこの課題を解決する。

本発明による位置検出器は、周期的な磁気信号を生成するための信号生成装置と、信号生成装置に電気エネルギーを供給するための電気エネルギー供給装置とを有しており、そのようにして−冒頭に言及した従来型のシステムとは異なり−能動的な位置検出器となっている。本発明による能動的な位置検出器は、位置測定装置の１つまたは複数の測定ループへ入力結合するための比較的強い磁気信号の生成を可能にするという利点があり、それにより、従来型のシステムとは異なり、実際のシステムに存在する外乱要因、たとえば外乱入射ないしノイズなどからの影響が低減されており、このことは、位置測定の感度に好ましい作用を及ぼすとともに、いっそう高い位置解像度を可能にする。特に、本発明に基づく原理によって、従来型のシステムで発生するような信号過結合の回避ももたらされるという利点がある。

同様に本発明のコンフィギュレーションにより、位置検出器を有する全体システムのいっそう大きいダイナミクスが実現され、その結果、位置の判定が従来型のシステムの場合よりも迅速に可能となり、それに伴っていっそう高い検出速度を具体化可能である。

１つの好ましい実施形態では、電気エネルギー供給装置は特に局所的な少なくとも１つのエネルギー蓄積器を有している。このエネルギー蓄積器はコンデンサであるのが好ましい。その代替または補足として、１つまたは複数のバッテリないし蓄電池が設けられていてもよい。少なくとも１つのエネルギー蓄積器は位置検出器に局所的に配置されるのが特別に好ましく、その結果、これとともに一緒に動くことになる。

別の好ましい実施形態では、電気エネルギー供給装置のエネルギー蓄積器は位置検出器に局所的に配置され（すなわちこれとともに一緒に動き）、電気エネルギーを直流電圧の形態で蓄積するために構成される。このことは、コンデンサを使用する場合だけでなく、バッテリないし蓄電池を使用する場合にも考えられる。

別の好ましい実施形態では、エネルギー蓄積器は１ｎＦ（ナノファラド）以上、特に１０ｎＦ以上、さらには特に１００ｎＦ以上のキャパシタンスを有する少なくとも１つのコンデンサを有している。

別の好ましい実施形態では、エネルギー蓄積器は１０ｍＡｈ（ミリアンペア時間）以上、特に１００ｍＡｈ以上、さらには特に５００ｍＡｈ以上のキャパシタンスを有する少なくとも１つの蓄電池またはバッテリを有している。

しかしながら別の実施形態では、エネルギー蓄積器を位置検出器の表面ないし内部に局所的に設けるのでなく、電気的な配線接続によって、たとえば垂下ケーブルおよび／またはすべり接点のような形式でこれに接続することも考慮の対象となり、それにより、位置検出器そのものの質量が削減される。

別の好ましい実施形態では、電気エネルギー供給装置は、機械エネルギー、熱エネルギー、放射エネルギー、磁界、および／または電界から取り出されたエネルギーを、電気エネルギー（および／または化学エネルギー、たとえばバッテリないし蓄電池の場合）へと変換するために構成された少なくとも１つのエネルギー変換器を有しており、それにより、能動的な位置検出器へのエネルギー供給のための多彩な選択肢が提供される。特に１つの実施形態によれば、それによって「エネルギーハーベスティング」の原理を具体化することもでき、この場合、位置検出器はその動作のために必要なエネルギーをその環境から調達し、特に、たとえばもともと存在する電磁場、太陽放射、環境光、位置検出器を含む目標システムの機械的な振動などから調達する。

１つの実施形態では、位置検出器への電気エネルギーの誘導式の供給が可能であるのが特別に好ましく、この場合、たとえば位置検出器に割り当てられる位置測定装置が、誘導磁界を生成するための少なくとも１つの相応の誘導コイルを装備している。この実施形態では、位置検出器は誘導磁界からエネルギーを受け取るための少なくとも１つの受信コイルを有しており、受信コイルで誘導される電圧を、たとえば位置検出器の（本例では好ましくは局所的な）エネルギー蓄積器の充電のために利用することができる。位置検出器のエネルギー変換器は、１つの実施形態によれば、約１ＭＨｚから約４ＭＨｚの周波数の誘導磁界からエネルギーを調達するために設計されるのが特別に好ましい。

別の好ましい実施形態では、電気エネルギー供給装置は、特に直流電圧を利用してエネルギー蓄積器を充電するための少なくとも１つの整流器を有している。すなわちこのケースでは、整流器によって生成される直流電圧がエネルギー蓄積器の充電のために利用される。たとえば上に説明した誘導磁界からたとえば約１ＭＨｚから約４ＨＭｚの周波数で得られるエネルギーを、次いで位置検出器で局所的に整流して、同じく位置検出器に局所的に配置されたエネルギー蓄積器を、たとえば蓄電池やコンデンサを充電するために利用することができる。

別の好ましい実施形態では、信号生成装置は少なくとも１つの、好ましくは能動的なオシレータを有することが意図される。それにより、位置検出器で能動的に周期的な磁気信号を生成するという選択肢が与えられる利点があり、割り当てられた位置測定装置で位置検出器の位置を判定するために、この磁気信号を利用可能である。たとえば送信器として意図される信号生成装置の磁気コイルを、オシレータの出力信号で直接負荷することができる。別案として、オシレータの出力信号をまず増幅することができ、次いで、周期的な磁気信号を生成するために、磁気コイルがオシレータの増幅された出力信号で負荷される。「能動的な」オシレータとは、本件においては、エネルギー供給のために電気的な直流電圧を入力電圧として受け取り、出力電圧として交流信号を能動的に生成するオシレータが意味される。

別の実施形態では、信号生成装置は複数の磁気コイルを有することもできる。

別の好ましい実施形態では、周期的な磁気信号は約１ｋＨｚ（キロヘルツ）から約２００ｋＨｚの範囲内の、特に約１０ｋＨｚから約２０ｋＨｚの範囲内の周波数成分を有することが意図される。位置検出器ないしその信号生成装置により生成される周期的な信号は、上に挙げた周波数領域の周波数成分をちょうど有するのが特別に好ましく、それにより、特別に正確な位置測定が可能である。これに加えてｋＨｚ領域の信号を意図することは、これよりも高い周波数で作動する公知のシステムと異なり、特別に簡単で効率的な評価を可能にする。

本発明の課題のさらに別の解決法は、請求項６に記載の位置測定装置によって提供される。

本発明による位置測定装置は、測定経路に沿って可動の位置検出器の位置を判定するために意図されるものであり、位置検出器は本発明に基づいて構成されるのが好ましい。本発明による位置測定装置は、位置検出器により生成される磁気信号を検出するために測定経路に沿って配置された少なくとも１つの第１の導体ループを有しており、第１の導体ループは、位置検出器の信号生成装置と第１の導体ループとの間の磁気結合が位置検出器の位置に依存して変化するように構成されている。さらに本発明による位置測定装置は、磁気信号により第１の導体ループで生成される第１の（電気的な）信号に依存して位置を判定するために構成された評価装置を有している。

本発明による位置測定装置のための本発明による能動的な位置検出器の利用は、第１の導体ループで生成される第１の信号が比較的大きい振幅を有しているという利点をもたらし、それにより、冒頭ですでに説明した外乱現象が測定結果に作用する強さは、よりいっそう低くなる。

別の好ましい実施形態では、さらに、位置検出器により生成される磁気信号を検出するために少なくとも区域的に測定経路に沿って配置された第２の導体ループが設けられることが意図され、評価装置は、第１の信号に依存し、且つ磁気信号により第２の導体ループで生成される第２の信号に依存して位置を判定するために構成される。

１つの好ましい実施形態では、第１の導体ループの少なくとも１つの区域は、測定経路の参照位置に関して実質的にほぼ正弦形の推移を有しており、第２の導体ループの少なくとも１つの区域は測定経路の参照位置に関して実質的にほぼ余弦形の推移を有している。それにより、特別に正確な位置検出が可能である。

別の好ましい実施形態では、少なくとも１つの導体ループは、少なくとも１つの導体ループの微分面積要素の大きさが測定経路の座標軸に沿って設定可能な関数に従って変化するように構成されることが意図される。そこから、位置検出器の周期的な磁気信号による負荷の結果、微分面積要素の大きさに依存する誘導電圧が着目する導体ループで生じ、その結果、たとえば導体ループで誘導される電圧信号の振幅を評価することで、位置検出器の位置を推定することができる。

留意すべきは、いくつかの実施形態では前述した関数が−少なくとも導体ループについて−定数であってもよく、すなわち位置座標に依存しなくてもよいことである。

設定可能な関数が、測定経路の座標軸に沿った相応の位置に対する、着目する導体ループの微分面積要素の大きさの一義的な対応関係を規定する場合には、１つの実施形態によれば、正確な位置決定のためにこの着目する１つの導体ループを利用するだけですでに十分である。

１つの特別に好ましい実施形態では、少なくとも３つの導体ループが設けられることが意図されており、第１の導体ループに割り当てられる関数は正弦関数であり、第２の導体ループに割り当てられる関数は余弦関数であり、第３の導体ループに割り当てられる関数は定数である。それにより、位置検出器の周期的な磁気信号が照射される結果、第１の導体ループでは、位置検出器の位置に対する正弦形の依存性を有する第１の誘導電圧が生じ、それに対して第２の導体ループでは相応に余弦形の誘導電圧が生じることが惹起されるという利点がある。第３の導体ループでは、微分面積要素の一定の大きさに基づき、位置検出器の位置ないしこれにより出力される磁気信号に関わりなく一定の包絡曲線をもつ電圧信号が誘導され、１つの好ましい実施形態では、これを評価のための参照信号として利用可能である。

本発明の課題の別の好ましい解決法として、請求項１０に記載の位置検出器のための作動方法が提供される。

本発明の課題のさらに別の解決法として、請求項１２に記載の位置測定装置を作動させる方法が提供される。この方法の１つの特別に好ましい実施形態では、少なくとも１つの導体ループは、少なくとも１つの導体ループの微分面積要素の大きさが測定経路の座標軸に沿って設定可能な関数に従って変化するように構成される。

別の実施形態では、少なくとも３つの導体ループが設けられることが意図されており、第１の導体ループに割り当てられる関数は正弦関数であり、第２の導体ループに割り当てられる関数は余弦関数であり、第３の導体ループに割り当てられる関数は定数であり、評価装置は、第１の信号、第２の導体ループの磁気信号により生成される第２の信号、および磁気信号により第３の導体ループで生成される第３の信号に依存して位置を判定する。

別の好ましい実施形態では、第２の信号は位相ずれした第２の信号を得るために９０°（度）だけ位相シフトされ、第１の信号は総和信号を得るために位相ずれした第２の信号に加算され、位置を判定するために総和信号と第３の信号との間で位相比較が実行される。

別の特別に好ましい実施形態では、位相比較は次の各ステップを有している。総和信号が第１のデジタル信号に変換され、第３の信号が第２のデジタル信号に変換され、位置を判定するために、特に時間測定の方式で、第１および第２のデジタル信号の位相が比較される。それにより、特別に簡単かつ効率的な位置判定が可能である。特に、本発明に基づいて提案される位相ずれの判定ないし位相比較の実行により、単純な電子デバイスでも具体化可能な高精度の時間測定を行うことができる。１つの発明態様では、総和信号ないし第３の信号の対応するデジタル信号への変換は、効率的かつ低コストに、たとえばコンパレータによって、特にシュミットトリガーによって行うことができる。

本発明のその他の構成要件、適用可能性、および利点は、図面に示す本発明の実施例についての以下の説明から明らかとなる。ここで記載または図示されるすべての構成要件はそれ自体として、または任意の組合せの形で本発明の対象物を形成するものであり、特許請求の範囲におけるこれらのまとめ方や引用には左右されず、ならびに、発明の詳細な説明や図面での表現ないし図示には左右されない。

図面には次のものが示されている：

１つの実施形態に基づく位置検出器のブロック回路図を模式的に示す図である。 １つの実施形態に基づく位置測定装置の側面図を模式的に示す図である。 １つの実施形態に基づく導体ループの一部分を模式的に示す図である。 １つの実施形態に基づく位置測定装置の導体ループの平面図を模式的に示す図である。 別の実施形態に基づく位置検出器への誘導式のエネルギー供給の態様をそれぞれ模式的に示す図である。 別の実施形態に基づく位置検出器への誘導式のエネルギー供給の態様をそれぞれ模式的に示す図である。 別の実施形態に基づく位置測定装置の導体ループを模式的に示す図である。 １つの実施形態に基づく簡略化したブロック図を模式的に示す図である。 本発明による方法の１つの実施形態のブロック図を模式的に示す図である。

図１は、第１の実施形態に基づく本発明の位置検出器１００のブロック回路図を模式的に示している。この位置検出器１００は、周期的な磁気信号Ｓを生成するための信号生成装置１１０を有している。周期的な磁気信号Ｓは、あとでまた説明する位置測定装置の少なくとも１つの測定ループへ入力結合し、そのなかで相応の誘導信号を生じさせることができ、その評価が位置検出器１００の位置判定を可能にする。

さらに、本発明による位置検出器１００は、信号生成装置１１０へ電気エネルギーを供給するための電気エネルギー供給装置１２０を有している。それにより、「能動的な」位置検出器１００、すなわち、周期的な磁気信号Ｓを自ら能動的に生成して、相応に大きい振幅で位置測定装置の１つまたは複数の測定ループへ入力結合することができる位置検出器１００が具体化される利点がある。それにより、特別に迅速で正確な位置測定が可能となる。

１つの好ましい実施形態では、位置検出器１００は特に局所的なエネルギー蓄積器１２２を有している。局所的なエネルギー蓄積器１２２はコンデンサとして構成されるのが特別に好ましい。その代替または補足として、電気エネルギー供給装置１２０は、外部のユニット（図示せず）から、または一般に位置検出器１００の環境から供給されるエネルギーＥを少なくとも部分的に受け入れて、別のエネルギー形態へ、特に電気エネルギーへ変換するために構成される少なくとも１つのエネルギー変換器１２４を有することもできる。たとえばエネルギーＥを、位置検出器１００のために誘導磁界の形態で提供することができる。このケースではエネルギー変換器１２４は、誘導磁界の磁気エネルギーの少なくとも一部を、特に誘導原理を利用して電気エネルギーに変換するために構成され、その結果、このようにして受信されたエネルギーを利用してたとえばコンデンサ１２２を充電することができる。

１つの好ましい実施形態では、周期的な磁気信号Ｓは約１ｋＨｚから約２００ｋＨｚの範囲内の、特に約１０ｋＨｚから約２０ｋＨｚの範囲内の周波数を有しており、このことは特別に正確な位置検出を可能にする。

別の好ましい実施形態では、本発明によるエネルギー変換器１２４は、約１ＭＨｚ（メガヘルツ）から約４ＭＨｚ、特に約２ＭＨｚの周波数を有する誘導磁界から磁界エネルギーを取り出すために構成される。信号Ｓ，Ｅに割り当てられた異なる周波数領域により、相互の影響がほぼ生じず、特に、位置検出器１００に対する、ないしはこれにより位置検出のために生成される磁気信号Ｓに対する、誘導エネルギー伝達Ｅの望ましくない逆作用が生じないことが保証されるという利点がある。むしろ、磁気信号Ｓないしこれから導き出される、たとえば誘導電圧信号のような信号の評価は、本来の位置評価の前に誘導磁界の「信号割合」を取り除くために、たとえばローパスフィルタを利用したうえで、単純なフィルタリングを含んでよい。

図２は、本発明の１つの実施形態に基づく位置測定装置１０００の側面図を模式的に示している。位置測定装置１０００は、位置座標ｘに沿って延びる、およびこれに伴い図２では第１の導体ループＬ１の上方に配置される位置検出器１００の測定経路ＭＷに沿って延びる、第１の導体ループＬ１を有している。第１の導体ループは平坦なコンフィギュレーションで、たとえば電気配線板を製作するための基板材料であってよい支持部材１００２の上に配置されるのが特別に好ましい。第１の導体ループＬ１、ならびに場合により存在する別の導体ループ（図２には示さず）は、基板材料１００２の上の１つまたは複数の条導体の形態で具体化されるのが特別に好ましい。

基板材料としては、たとえばＦＲ４材料あるいはセラミック材料なども考慮の対象となる。別の実施形態では、１つまたは複数の導体ループを収容するための柔軟なフィルム導体も考えられ、それにより、測定経路ＭＷを構成するための新たな自由度が与えられる。

図２から明らかなように、位置検出器１００はこれにより生成される周期的な磁気信号Ｓを第１の導体ループＬ１の方向へ放出し、そこから誘導効果の結果として第１の信号ｓ１が導体ループＬ１で生じ、位置検出器１００の位置ｘの判定のために評価装置１０１０によりこの信号を評価可能である。

特別に好ましいコンフィギュレーションでは、位置検出器１００ないしその信号生成装置１１０（図１）と、導体ループＬ１の平面との間の図２の垂直方向の間隔ｄは数ミリメートルであり、たとえば約０ｍｍから約２０ｍｍの間、好ましくは約０．１ｍｍから１０ｍｍの間である。

少なからぬ実施形態において、支持部材１００２およびその上に配置された第１の導体ループＬ１はハウジング（図示せず）を有してもよく、この場合、少なくとも導体ループＬ１の領域では、ないしは測定経路ＭＷに沿って、位置検出器１００から第１の導体ループＬ１への磁気信号Ｓの透過を許す素材がハウジング材料について選択される。

別の実施形態では、位置検出器１００は導体ループＬ１ないし支持部材の表面の上で直接摺動するように配置されていてもよい。このケースでは、位置検出器１００ないしその信号生成装置１１０および／または導体ループＬ１は、相応の摺動層（図示せず）を有してよいが、前記摺動層は、信号生成装置１１０と導体ループＬ１との間の電気接触を防ぐために電気絶縁性に構成されるのが好ましい。

特別に好ましい実施形態では、位置測定装置１０００の少なくとも１つの導体ループＬ１は、少なくとも１つの導体ループＬ１の微分面積要素の大きさが測定経路ＭＷの座標軸ｘに沿って、設定可能な関数に従って変化するように構成されることが意図される。図３はこの点に関して、座標軸ｘに沿って延びる、一例として着目する第１の導体ループＬ１の一部分を模式的に示している。図３から明らかなように、第１の導体ループＬ１の第１の区域Ｌ１＿１は、座標軸ｘに対して想定される平行な軸（図示せず）に関して実質的に正弦形（すなわちｓｉｎ（ｘ）に比例）を有しており、それに対して第２の区域Ｌ１＿２は、これと同じ軸に関して実質的に負の正弦形（すなわち−ｓｉｎ（ｘ）に比例）を有している。それに伴い、一例として着目する図３の微分面積要素ｄＡについては、サンプリング点ｘ’，ｘ’’の領域における正弦関数の値に依存し、かつ、通常は一定であるインターバル幅ｘ’’−ｘ’に依存する大きさが生じる。位置座標ｘと設定可能な関数との間の、本例では正弦関数との間の既知の関係により、本発明の１つの実施形態によれば、第１の導体ループＬ１で磁気信号Ｓに基づいて誘導される誘導電圧信号である第１の信号ｓ１の振幅から、位置検出器１００がある位置ｘを推定することができる。違う位置ｘのとき、微分面積要素は、一例として着目する第１の導体ループＬ１の正弦形の推移に応じて違う値を有しており、したがって、この値は第１の信号ｓ１について違う信号振幅をもたらす。

図４は、本発明の別の実施形態を示している。図示しているのは、１つの実施形態に基づく位置測定装置の模式的な導体ループ構造を示す平面図である。

第１の導体ループＬ１は、参照位置ｘ０に関して実質的に正弦形を有している。厳密に言うと、第１の導体ループＬ１は、図３に準じ、図４には詳しくは示されていない２つの区域を有していて、そのうち第１の区域は参照位置ｘ０に関して正の正弦形、第２の区域は参照位置ｘ０に関して負の正弦形をそれぞれ有している。領域Ｂ（位置座標ｘ２）で両方の区域が交わるが、互いに電気接続されることはなく、位置座標ｘ３の領域では、第１の導体ループＬ１が正弦形から逸脱して、図４では実質的に垂直方向に延びる区域によって閉じられる。

それに対して、図４では見やすさを改善するために破線で示されている第２の導体ループＬ２は、参照位置ｘ０に関して余弦形を有している。同じく詳しくは符号を付していないその各区域については、上に第１の導体ループＬ１について述べたことが相応に該当し、これらの区域の交差は位置座標ｘ１１，ｘ２１の領域に現れる。

実質的に長方形を有し、それに伴い上で図３を参照して説明した微分面積要素について一定の大きさを有する第３の導体ループＬ３が、両方の導体ループＬ１，Ｌ２を包囲する。

これに加えて、図４には１つの実施形態に基づく位置検出器１００が図示されている。位置検出器は位置座標ｘないし測定経路に沿って、導体ループＬ１，Ｌ２，Ｌ３の上を可動である。符号を付さない左右矢印を参照のこと。図２から明らかとなるような支持部材１００２は、図面の見やすさの都合から図４では図示していないが、たとえば基板、特にマルチレイヤ基板（多層基板）として構成されていてよく、この場合、導体ループＬ１，Ｌ２，Ｌ３の個々の区域は、それ自体公知の仕方でたとえばスルーホールコンタクト（英語”ｖｉａｓ”）によって相互に接続される、１つまたは複数の層にわたってそれぞれ延びることができる。

第１の導体ループＬ１には端子Ｋ１、第２の導体ループＬ２には端子Ｋ２、第３の導体ループＬ３には端子Ｋ３がそれぞれ割り当てられている。

位置検出器１００の位置ｘを判定するために、位置検出器１００は上に説明した仕方でその信号生成装置１１０（図１）により周期的な磁気信号Ｓ（図２）をたとえば約１０ｋＨｚの周波数で生成する。このことは、たとえば位置検出器１００の磁気コイル（図示せず）に相応の周波数の電気信号を負荷することによって行うことができる。その結果として生じるコイルを通る電流により、それ自体公知の仕方で同一の周波数の磁界が発生する。電気信号は、たとえば上ですでに説明したオシレータによって生成することができる。

誘導法則に基づき、このような種類の位置検出器１００の動作では、図４に示す３つすべての導体ループＬ１，Ｌ２，Ｌ３で相応の誘導電圧が生じ、これを以下の説明のために第１ないし第２ないし第３の信号と呼ぶ。それに応じて、第１の信号は第１の導体ループＬ１における誘導電圧に相当し、これをたとえば第１の導体ループＬ１の端子Ｋ１でピックアップすることができる。第２の信号は、第２の導体ループＬ２の端子Ｋ２で生じる誘導電圧であり、第３の信号は、第３の導体ループＬ３の端子Ｋ３における誘導電圧に相当する。

第１および第２の導体ループＬ１，Ｌ２の第１および第２の信号はそれぞれ位置依存的な振幅ないし包絡曲線を有するのに対して、端子Ｋ３に印加される第３の信号は位置依存的な振幅ではなく一定の振幅を有する。測定経路ＭＷに沿っての位置検出器１００の可能なすべての位置ｘについて、実質的に同一の最大の磁束が第３の導体ループＬ３を通過するからである。

端子Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は、図４から明らかなとおり、ほぼ位置座標ｘ０のところに配置されており、それに対して、有意義に利用可能な測定経路は位置座標ｘ＞ｘ１，ｘ＜ｘ３の間に延びている。位置座標ｘ＞ｘ１，ｘ＜ｘ３の領域における、理想的な正弦形ないし余弦形とは相違する導体ループＬ１，Ｌ２の形状に基づき、測定経路を相応に限定することが推奨される。

たとえば位置検出器１００は、本発明による方法の１つの実施形態では、第３の導体ループＬ３で参照信号ｓ３としての誘導電圧が次式に基づいて生じるように、周期的な磁気信号Ｓを生成することができる：

ここでω＝２π×１０ｋＨｚであり、Ｕは誘導電圧の波高値を表し、これはそれ自体公知の仕方により、磁気信号Ｓの振幅と、たとえば位置検出器１００ないしその信号生成装置１１０（図１）から第３の導体ループＬ３の平面までの間隔とに依存して決まる。このようにして得られた信号ｓ３は、位置検出器１００の位置ｘ１２を判定する意味において、別の信号ｓ１，ｓ２の評価のための参照信号としての役目を果たすのが好ましい。

第１の導体ループＬ１の端子Ｋ１における第１の信号について、本実施形態では次式に基づいて信号が得られる：

これに準じて、第２の導体ループＬ２の第２の信号について次式が得られる：

特別に好ましい実施形態では位置判定のために、第２の導体ループＬ２により得られる第２の信号ｓ２が９０°だけ位相ずれを施され、それにより、位相ずれした第２の信号ｓ２’が次式に基づいて得られる：

位相ずれした第２の信号ｓ２’と第１の信号との加算が総和信号ｓ４をもたらす：

そして、上記の式に基づいて得られた総和信号ｓ４が参照信号ｓ３との位相比較にかけられ、位相差から位置ｘが、本例ではｘ＝ｘ１２が得られる。

上に説明した評価が特別に好ましい理由は、非常に高い精度と比較的低い複雑さとで位相比較を実行することができるからである。

特別に好ましい実施形態では、位相比較のために総和信号ｓ４が第１のデジタル信号に変換され、第３の信号ｓ３すなわち参照信号が第２のデジタル信号に変換されることが意図され、このことは、たとえばコンパレータやシュミットトリガーによって行うことができる。その場合、第１および第２のデジタル信号の位相の間の比較を、時間測定の方式で行えるという利点がある。

たとえば第１の時点Ｔ１は、第１のデジタル信号の正のエッジの発生の時点として定義することができ、それに対して第２の時点Ｔ２＞Ｔ１は、第２のデジタル信号の正のエッジの最初の発生の時点として定義される。このケースでは時間差Ｔ２−Ｔ１が、着目するそれぞれのデジタル信号の間の位相差に直接比例するので、この時間差から位相差を求め、そして最終的に、これから位置検出器１００の最新の位置ｘ１２を求めることができる。

ｋＨｚ領域（ミリセカンド領域ないしマイクロセカンド領域）での時間測定のための高精度のカウンタは、比較的単純なマイクロコントローラやデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）でも利用可能なので、位置測定装置１０００のための相応の評価装置１０１０（図２）を非常に低コストに準備することができ、本発明に基づく能動的な位置検出器１００を設けることを可能にする特別に高い精度を断念する必要がない。

一般に、評価ユニット１０１０は１つの実施形態によれば、上に説明した方法を実施するための計算ユニットを有することができる。この計算ユニットは、たとえばマイクロコントローラまたはデジタル信号プロセッサとして構成されていてよい。ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ、特定用途向け集積回路）やＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ、プログラマブルロジックデバイス）を設けることも同じく考えられる。

別の実施形態では、時間測定をそれ自体公知のメカニズムによって、たとえばタイマインタラプト、または周知のマイクロコントローラにより具体化できるのが特別に好ましい。その代替または補足として、離散的なカウンタデバイス（たとえばＣＭＯＳ ＨＣ４０２０）や時間測定デバイス（ＴＤＣ、ｔｉｍｅ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）も考慮の対象となる。

上に説明した評価の別案として、アナログ信号ｓ１，ｓ２ないしｓ３をマイクロコントローラまたはその他の型式の計算ユニットによって直接評価することも考えられる。たとえば、周期的な信号Ｓの周波数よりも明らかに大きいのがよい十分に大きいサンプリングレートで信号ｓ１，ｓ２，ｓ３を走査して、デジタル信号に変換することが考えられる。これに続いて、振幅および／または位相差の評価を上に説明したようにマイクロコントローラによって行うことができる。

別の好ましい実施形態では、ただ１つの導体ループＬ１だけを設けることも可能である。このケースでは位置決定は、単一の導体ループＬ１の誘導電圧信号ｓ１の振幅と、位置ｘとの間の一義的な関係を利用したうえで行われる。相応に広い一義性領域を確保するため、それに応じて着目する導体ループＬ１のジオメトリーは、最大で１つの正弦波ないし１つだけの半波が、着目する測定経路ＭＷに含まれるように選択される。

図５ａは、本発明のさらに別の実施形態を示している。図示されているのは、図４に示す配線板構造の模式的な平面図であり、この配線板構造は本例では破線の長方形と符号１０２０で示唆されるとともに、詳細には３つの導体ループＬ１，Ｌ２，Ｌ３を図４に掲げるように含んでいる。

この構造１０２０の周囲には、本例では一例として１つの巻回だけを有するが、１つの好ましい実施形態では複数の巻回を有することもできる別の導体ループ１０３０が配置されている。導体ループ１０３０はその端子Ｋ’で、相応の周波数の誘導磁界を提供するために、好ましくは約１ＭＨｚまたはそれ以上の周波数を有する電気信号により負荷される。このようにして、導体ループ構造１０２０の領域およびそれに伴って別の導体ループ１０３０の内部に配置された位置検出器１００（図２）に、第４の導体ループ１０３０による電磁誘導を通じて、オシレータないし信号生成装置１１０の動作のためのエネルギーを供給することができる。誘導導体ループ１０３０は特に１ＭＨｚまたはそれ以上の周波数で作動するので、位置検出器１００への効率的なエネルギー供給が可能であり、それと同時に、ｋＨｚ領域の磁気信号Ｓを利用して進行する測定動作が妨害を受けないことが保証されるという利点がある。

１つの実施形態によれば、場合により、評価装置１０１０（図２）は、本来の位置判定の前に信号ｓ１、ｓ２、および／またはｓ３のローパスフィルタリングを行い、それは、比較的高周波の誘導信号が位置判定に入り込まないことを保証するためである。ローパスフィルタリングは評価原理に応じてアナログ式および／またはデジタル式に行うことができるが、特別に好ましい実施形態ではすでにアナログ式に実行されて、位相比較による位置判定と上に説明したように組み合わされる。

図５ｂは、位置検出器１００にエネルギーを供給するための誘導コイル１０３０ａについての別の好ましい態様を示している。図５ａに示す態様とは異なり、図５ｂの導体ループ１０３０ａは、導体ループ１０３０ａの周囲の磁界の低減を惹起する（「フィールドバランシング」）、改変されたトポロジーを有している。

図６は、さらに別の実施形態に基づく導体ループ構造を模式的に示している。全部で３つの導体ループＬ１，Ｌ２，Ｌ４が図示されており、導体ループＬ１，Ｌ２は図４の導体ループＬ１，Ｌ２に実質的に相当する。図６に図示されている第３の導体ループＬ４は、図６の導体ループＬ１と類似して、位置座標ｘ（図４）に沿って、かつ評価装置１０１０（図６）の接続場所に関して、ただしこれよりも大きい周期時間ないし波長で、正弦波のジオメトリーを有している。したがって第３の導体ループＬ４で誘導される信号は、位置検出器（図６には図示せず）の大まかな位置決定を一義的な仕方で行うために、評価装置１０１０によって利用できるという利点がある。こうして得られる位置値の改善は、上に説明した原理に基づいて導体ループＬ１，Ｌ２の信号を分析することで可能となる。

任意選択として、参照信号を提供する目的のために、図６の構造も図４の導体ループＬ３に類似する長方形の別の導体ループを有することができる。図４，５ａ，５ｂ，６の各実施形態は相互に組合せ可能でもある。

図７は、本発明に基づく原理を図解するための簡略化したブロック図を示している。ブロック２１０は、図５ａ，５ｂを参照して上で説明した誘導磁界をたとえば約１ＭＨｚの周波数で提供し、そのようにして能動的な位置検出器１００にエネルギーＥを供給する「誘導送信器」を表す。さらに能動的な位置検出器１００は、供給されるエネルギーＥを利用して、本例ではブロック２２０により図示される、位置測定装置の導体ループ構造への照射のための比較的低周波の（約１ｋＨｚから約２００ｋＨｚの間の周波数）周期的な磁気信号Ｓを生成する。

位置検出器１００には、約１ＭＨｚの周波数での電磁誘導を通じて、位置検出器１００へ電気供給するためのエネルギーが供給されるのが好ましく、本来の位置検出のための磁気信号Ｓは特にｋＨｚ領域の周波数で生成され、その結果、評価装置１０１０による後続する評価は、単純なフィルタリングにより、の対象となる信号の、場合により発生する外乱ないし誘導信号Ｉからの確実な分離を可能とする。

図８は、たとえば図４の導体ループ構造を利用して可能である実施形態に基づく、評価装置１０１０による位置決定に関するブロック図を模式的に示している。第１の導体ループＬ１から得られる第１の信号ｓ１は、加算器１０１４に供給される。第２の導体ループＬ２から得られる第２の信号ｓ２は、まず位相シフタ１０１２によって９０°だけ位相シフトされ、それにより位相ずれした信号ｓ２’が得られ、さらにこれが加算器１０１４へ供給される。加算器１０１４は両方の信号ｓ１，ｓ２’から総和信号ｓ４を形成し、これが第３の導体ループＬ３の参照信号ｓ３と同じく位相比較器１０１６に供給され、この位相比較器が信号ｓ３，ｓ４の間の位相差から、位置検出器１００の位置ｘを判定する。

本発明による能動的な位置検出器１００は、位置測定装置１０００の１つまたは複数の測定ループＬ１，Ｌ２，・・・へ入力結合するための比較的強い磁気信号Ｓの生成を可能にするという利点があり、それにより、向上した感度およびこれに伴っていっそう高い位置解像度が可能となる。同様に本発明のコンフィギュレーションにより、位置検出器１００を有する全体システム１０００のいっそう大きいダイナミクスが実現され、その結果、位置値ｘの判定が従来型のシステムの場合よりも迅速に可能であり、したがっていっそう高い検出速度を具体化可能である。

オシレータが設けられた位置検出器１００の実施形態では、オシレータの確実な発振立ち上がりを惹起するために、位置検出の前に次の各ステップを実行することができる：たとえば図５ａ，５ｂを参照して説明したように、誘導コイル１０３０，１０３０ａを介して、位置検出器１００にオシレータの動作のためのエネルギーを供給することができる。これに加えて、たとえば位置測定装置１０００の導体ループＬ１，Ｌ２，Ｌ３のうちの１つを、たとえば評価装置１０１０または別個の信号発生器（図示せず）により、位置検出器のオシレータと実質的に同じ周波数を有する周期的な信号で負荷することができる。こうして「送信ループ」として機能することになる導体ループＬ１，Ｌ２，Ｌ３とオシレータとの間の誘導結合によって、その発振立ち上がりが支援される。オシレータが発振立ち上がりするとただちに、評価装置１０１０または別個の信号発生器の側での導体ループＬ１，Ｌ２，Ｌ３への負荷を停止することができ、導体ループＬ１，Ｌ２，Ｌ３が受信ループとして作動する、位置測定のための本来の動作を開始することができる。

別の実施形態では、少なくとも１つの導体ループＬ１は、正弦形ないし余弦形とは相違するジオメトリー、たとえば三角形ジオメトリーを、位置座標ｘの関数として有することが意図されていてよい。導体ループのそれ以外の「位置一義的な」形態も同じく考えられる。さらに、それ自体として正弦形ではない複数の導体ループを空間的に入れ子にし、且つ特に位置座標ｘに対して垂直方向でのその幾何学的な寸法を変えることで、位置検出器と該当する導体ループとの間の磁気結合の、位置座標ｘに対する正弦形ないし余弦形の依存性を得ることが可能である。

別の実施形態では、測定経路ＭＷ（図２）は直線状に（特に一次元に）構成されていてよい。別の実施形態では、たとえば二次元や三次元の測定経路の湾曲した形状も考えられる。

本発明は好ましい誘導測定原理、ならびに誘導式の位置検出器、および誘導式の位置測定装置を記載している。

Claims (18)

1. 電子式の位置測定装置（１０００）のための位置検出器（１００）であって、
   前記位置検出器（１００）は、
   周期的な磁気信号（Ｓ）を生成するための信号生成装置（１１０）と、
   前記信号生成装置（１１０）に電気エネルギーを供給するための電気エネルギー供給装置（１２０）と、
   少なくとも１つの局所的なエネルギー蓄積器（１２２）と、
   誘導磁界からエネルギーを受け取るための少なくとも１つの受信コイルを有するエネルギー変換器（１２４）と、
   を備え、
   前記電気エネルギー供給装置（１２０）は、直流電圧によって前記エネルギー蓄積器（１２２）を充電するための整流器を有し、
   前記位置検出器（１００）は、前記受信コイルに誘起された電圧を前記整流器で整流し、前記整流器で生成された直流電圧で前記エネルギー蓄積器（１２２）を充電するように構成され、
   且つ前記信号生成装置（１１０）は、少なくとも１つの能動的なオシレータを有し、前記能動的なオシレータは、前記エネルギー蓄積器（１２２）から直流電圧を入力されてエネルギーを供給され、前記位置検出器（１００）において能動的に前記周期的な磁気信号（Ｓ）を生成するように構成されている
   位置検出器（１００）。
2. 前記エネルギー蓄積器（１２２）は、コンデンサ、バッテリ、および／または蓄電池を有している、請求項１に記載の位置検出器（１００）。
3. 前記エネルギー変換器１２４は、１ＭＨｚ〜４ＭＨｚの周波数の誘導磁界からエネルギーを得るように構成されている、請求項１または２に記載の位置検出器（１００）。
4. 前記周期的な磁気信号（Ｓ）は、１ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲内の周波数成分を有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の位置検出器（１００）。
5. 前記周期的な磁気信号（Ｓ）は、１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲内の周波数成分を有している、請求項４に記載の位置検出器（１００）。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に基づいて構成され、位置（ｘ）を判定するために測定経路（ＭＷ）に沿って可動な位置検出器（１００）を備える位置測定装置（１０００）であって、
   前記位置検出器（１００）により生成される磁気信号（Ｓ）を検出するために測定経路（ＭＷ）に沿って配置され、前記位置検出器（１００）の信号生成装置（１１０）との間の磁気結合が前記位置検出器（１００）の位置（ｘ）に依存して変化するように構成された第１の導体ループ（Ｌ１）と、
   磁気信号（Ｓ）により前記第１の導体ループ（Ｌ１）で生成される第１の信号（ｓ１）に依存して位置（ｘ）を判定するための評価装置（１０１０）と、
   前記位置検出器（１００）にエネルギーを供給するための誘導磁界を生成させる少なくとも１つの誘導コイルと、
   を備える位置測定装置（１０００）。
7. 前記位置検出器（１００）により生成される磁気信号（Ｓ）を検出するために少なくとも区域的に測定経路（ＭＷ）に沿って配置された第２の導体ループ（Ｌ２）がさらに設けられており、
   前記評価装置（１０１０）は第１の信号（ｓ１）に依存し、且つ磁気信号（Ｓ）により前記第２の導体ループ（Ｌ２）で生成される第２の信号（ｓ２）に依存して位置（ｘ）を判定するために構成され、
   前記第１の導体ループ（Ｌ１）の少なくとも１つの区域は測定経路（ＭＷ）の参照位置（ｘ０）に関して正弦形の推移を有しており、
   前記第２の導体ループ（Ｌ２）の少なくとも１つの区域は測定経路（ＭＷ）の参照位置（ｘ０）に関して余弦形の推移を有している、請求項６に記載の位置測定装置（１０００）。
8. 少なくとも１つの導体ループ（Ｌ１）は、少なくとも１つの前記導体ループ（Ｌ１）の微分面積要素（ｄＡ）の大きさが測定経路（ＭＷ）の座標軸（ｘ）に沿って設定可能な関数に従って変化するように構成されている、請求項６または７に記載の位置測定装置（１０００）。
9. 少なくとも３つの導体ループ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）が設けられており、第１の導体ループ（Ｌ１）に割り当てられる関数は正弦関数であり、第２の導体ループ（Ｌ２）に割り当てられる関数は余弦関数であり、第３の導体ループ（Ｌ３）に割り当てられる関数は定数である、請求項８に記載の位置測定装置（１０００）。
10. 電子式の位置測定装置（１０００）のための位置検出器（１００）を作動させる方法であって、
    前記位置検出器（１００）は信号生成装置（１１０）により周期的な磁気信号（Ｓ）を生成し、電気エネルギー供給装置（１２０）は前記信号生成装置（１１０）に電気エネルギーを供給し、
    前記位置検出器（１００）は、少なくとも１つの局所的なエネルギー蓄積器（１２２）と、誘導磁界からエネルギーを受け取るための少なくとも１つの受信コイルを有するエネルギー変換器１２４と、を備え、
    前記電気エネルギー供給装置（１２０）は、直流電圧によって前記エネルギー蓄積器（１２２）を充電するための整流器を有し、
    前記位置検出器（１００）は、前記受信コイルに誘起された電圧を前記整流器で整流し、前記整流器で生成された直流電圧で前記エネルギー蓄積器（１２２）を充電し、
    且つ前記信号生成装置（１１０）は、少なくとも１つの能動的なオシレータを有し、前記能動的なオシレータは、エネルギー供給のために前記エネルギー蓄積器（１２２）から入力電圧として前記直流電圧を受け取り、前記位置検出器（１００）において能動的に前記周期的な磁気信号（Ｓ）を生成する
    方法。
11. 前記エネルギー変換器１２４は、１ＭＨｚ〜４ＭＨｚの周波数の誘導磁界からエネルギーを得る、請求項１０に記載の方法。
12. 測定経路（ＭＷ）に沿って可動であって、請求項１から請求項５のいずれか１項に基づいて構成された位置検出器（１００）の位置（ｘ）を判定するために位置測定装置（１０００）を作動させる方法であって、
    前記位置測定装置（１０００）は、前記位置検出器（１００）により生成される磁気信号（Ｓ）を検出するために測定経路（ＭＷ）に沿って配置された少なくとも１つの第１の導体ループ（Ｌ１）を有し、
    前記第１の導体ループ（Ｌ１）は前記位置検出器（１００）の信号生成装置（１１０）との間の磁気結合が前記位置検出器（１００）の位置（ｘ）に依存して変化するように構成され、且つ
    評価装置（１０１０）は、磁気信号（Ｓ）により前記第１の導体ループ（Ｌ１）で生成される第１の信号（ｓ１）に依存して位置（ｘ）を判定するとともに、
    前記位置測定装置（１０００）は、誘導磁界を生成させる少なくとも１つの誘導コイルを有し、前記誘導コイルで誘導磁界を生成して前記位置検出器（１００）にエネルギーを供給する
    方法。
13. 前記位置検出器（１００）により生成される磁気信号（Ｓ）を検出するために少なくとも区域的に測定経路（ＭＷ）に沿って配置された第２の導体ループ（Ｌ２）がさらに設けられており、前記評価装置（１０１０）は第１の信号（ｓ１）に依存し、且つ磁気信号（Ｓ）により前記第２の導体ループ（Ｌ２）で生成される第２の信号（ｓ２）に依存して位置（ｘ）を判定し、好ましくは前記第１の導体ループ（Ｌ１）の少なくとも１つの区域は測定経路（ＭＷ）の参照位置（ｘ０）に関して実質的にほぼ正弦形の推移を有しており、前記第２の導体ループ（Ｌ２）の少なくとも１つの区域は測定経路（ＭＷ）の参照位置（ｘ０）に関して実質的にほぼ余弦形の推移を有している、請求項１２に記載の方法。
14. 少なくとも１つの導体ループ（Ｌ１）は少なくとも１つの前記導体ループ（Ｌ１）の微分面積要素（ｄＡ）の大きさが測定経路（ＭＷ）の座標軸（ｘ）に沿って設定可能な関数に従って変化するように構成されている、請求項１２または１３に記載の方法。
15. 少なくとも３つの導体ループ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）が設けられており、第１の導体ループ（Ｌ１）に割り当てられる関数は正弦関数であり、第２の導体ループ（Ｌ２）に割り当てられる関数は余弦関数であり、第３の導体ループ（Ｌ３）に割り当てられる関数は定数であり、前記評価装置（１０１０）は第１の信号（ｓ１）に依存し、磁気信号（Ｓ）により前記第２の導体ループ（Ｌ２）で生成される第２の信号（ｓ２）に依存し、且つ磁気信号（Ｓ）により前記第３の導体ループ（Ｌ３）で生成される第３の信号（ｓ３）に依存して位置（ｘ）を判定する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第２の信号（ｓ２）は位相ずれした第２の信号（ｓ２’）を得るために９０度だけ位相シフトされ、前記第１の信号（ｓ１）は総和信号（ｓ４）を得るために位相ずれした前記第２の信号（ｓ２’）に加算され、位置（ｘ）を判定するために前記総和信号（ｓ４）と第３の信号（ｓ３）との間で位相比較が実行される、請求項１５に記載の方法。
17. 位相比較は次の各ステップを有しており、すなわち、前記総和信号（ｓ４）が第１のデジタル信号に変換され、前記第３の信号（ｓ３）が第２のデジタル信号に変換され、位置（ｘ）を判定するために時間測定の方式で前記第１および前記第２のデジタル信号の位相が比較される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記誘導磁界は１ＭＨｚ以上の周波数を有する請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の方法。