WO2001023897A1 - Gebersystem mit einem beschleunigungsgeber und einem positionsgeber - Google Patents

Gebersystem mit einem beschleunigungsgeber und einem positionsgeber Download PDF

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WO2001023897A1
WO2001023897A1 PCT/EP2000/007474 EP0007474W WO0123897A1 WO 2001023897 A1 WO2001023897 A1 WO 2001023897A1 EP 0007474 W EP0007474 W EP 0007474W WO 0123897 A1 WO0123897 A1 WO 0123897A1
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encoder system
acceleration
material measure
encoder
electrically conductive
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PCT/EP2000/007474
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Michael Schwabe
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Dr. Johannes Heidenhain Gmbh
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    • G01P3/486—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by photo-electric detectors

Definitions

  • Encoder system with an accelerometer and a position encoder
  • the invention relates to an encoder system according to the preamble of claim 1.
  • Such an encoder system is described in EP 0 661 543 B1. It consists of an accelerometer in the form of a Ferraris sensor, in which an electrically conductive disk as a measuring structure is flowed through vertically by a magnetic flux. This magnetic flux is generated by a magnet. If the disk is moved relative to the magnet, eddy currents are generated which in turn generate a magnetic field. The change in this magnetic field or flux is detected by a detector in the form of a coil and is a measure of the acceleration. At the edge of this disc, an optically or inductively scannable measuring standard is attached, which is scanned by a scanning head to determine the position of the disc.
  • the disadvantage here is that the disk requires a relatively large amount of space.
  • the object of the invention is therefore to design a sensor system with an accelerator and a position sensor in such a way that the most compact possible structure is achieved.
  • the encoder system according to the invention has the advantage that the measuring standard required for position measurement is provided directly on the measurement structure for acceleration measurement and is thus arranged to save space.
  • the acceleration signal and the position signal are derived from a common scanning area. It was recognized that no scanning areas lying next to one another transversely to the measuring direction are required.
  • the electrical properties of the measuring structure of the accelerometer are advantageously not influenced by the material measure.
  • the measuring standard of the acceleration sensor can be implemented in a separate layer or in a layer package which is connected to the measuring structure of the acceleration sensor in such a way that the measuring structure can expand independently of the layers carrying the measuring standard.
  • the measuring standard can be formed in the measuring structure itself, measures such as signal filtering, signal smoothing, multiplexing or switching between several detectors or averaging then having to be taken in order to receive the acceleration signal as uninfluenced as possible by the measuring standard.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an encoder system according to the invention
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment
  • Figure 4 is a perspective view of the measurement structure of the third embodiment.
  • FIG. 5 shows a fourth embodiment.
  • the sensor system according to FIG. 1 consists of a disk 1 made of electrically conductive material, on the surface of which a material measure is formed in the form of an incremental graduation 2 that can be scanned by a photoelectric device.
  • the pane 1 can itself be structured on its surface, for example by making recesses partially in the circumferential direction (direction of movement X), the alternating recesses and elevations forming a known reflective phase grating.
  • the division 2 can also be formed as a separate layer or as a layer package on the disc 1, this embodiment is shown in dashed lines in Figure 1.
  • a magnet 3 or a coil for generating a magnetic field ⁇ 1 is provided, which acts on the disk 1 perpendicular to the direction of movement X.
  • the magnetic field ⁇ 1 generates eddy currents in the disc 1, which are proportional to the speed of movement of the disc 1.
  • These eddy currents generate a further magnetic field ⁇ 2, which is detected by a coil 4.
  • the voltage U induced in the coil 4 is proportional to the acceleration of the disk 1. This principle of acceleration measurement is also known as the Ferraris principle.
  • the position signal P for the position measurement is obtained from the same area of the disk 1 from which the acceleration U is also derived.
  • the division 2 is assigned a scanning head 5, which contains a light source and a photo receiver in a known manner. The light from the light source is directed to the division 2, is modulated there depending on the position and is reflected to the photoreceiver.
  • eddy currents generally also form in the division 2. This can undesirably influence acceleration measurement.
  • a value is chosen for the division period T that they cannot flow. This makes use of the fact that eddy currents have a certain spatial extent, which is not present in a graduation 2 with a correspondingly fine graduation period T, in particular less than 0.3 mm. This can effectively prevent eddy currents from being induced in the region of the division 2, although this consists of conductive material, and from falsifying the measurement result of the acceleration measurement.
  • the division 2 can be a phase grating known per se from regions alternately arranged in the measuring direction X with different refractive indices and / or step height.
  • the graduation 2 contains electrically conductive material and the graduation period T is not chosen so finely that eddy currents cannot arise at all, it is possible to choose the active detection area of the coil 4 so large that it is caused by the eddy currents and by the coil 4 detected magnetic field ⁇ 2 is averaged over many graduation periods P. As a result, only small fluctuations in the detected acceleration signal U are caused by the division 2.
  • the coil 4 can be designed in such a way that the active area through which the flow ⁇ 2 caused by the eddy current passes at least approximately describes a full circle of 360 °. Alternatively, a parallel or series connection of several smaller coils is also conceivable. It is advantageous to manufacture the coil or coils using thin-film technology.
  • the carrier for the coils can simultaneously be the carrier for the elements of the scanning head for position measurement.
  • the position information P is contained in the detected acceleration signal U and that this high-frequency quent signal components is separated from the low-frequency signal component of the acceleration signal U by means of a high pass.
  • a counter is then triggered by the output signal of the high-pass filter and counts position changes in multiples of the division period T. The position and the acceleration are then determined by evaluating the output signal U of the coil 4.
  • the division 2 is designed as a separate layer or as a layer package on the pane 1, it is advantageous if the connection of the division 2 on the pane 1 permits a temperature-dependent expansion of the pane 1 relative to the division layer 2 without an impermissible force on the division layer 2 is exerted, so that no deformation or even destruction of the graduation layer 2 results due to an expansion of the pane 1.
  • the division 2 can also be designed to be capacitive, inductive or magnetically scannable.
  • the measuring structure for the acceleration measurement does not have to be designed as a disk 1, it can also be applied as a layer 6 made of electrically conductive material on an insulating carrier 7, for example made of glass, plastic or printed circuit board material.
  • the division 2 can be formed on this support 7 on the layer 6 in the form of a stepped reflective phase grating or in the form of an amplitude grating produced by known lithographic methods. This embodiment is shown schematically in FIG. 2.
  • FIGS. 3 and 4 it is described how conductive areas 2.1 of an absolute division 2 can simultaneously be used as a measurement structure for acceleration measurement.
  • FIG. 3 shows the top view of a known absolute graduation 2, which is scanned both by position sensors and by acceleration sensors 4 according to the invention.
  • FIG. 4 shows a perspective view of the division 2 as in FIG. 3. Electrically conductive areas 2.1 are on one rotating, non-conductive carrier 7 arranged distributed so that the conductive areas 2.1 form an absolutely coded division 2.
  • the acceleration sensors 2.1 are arranged such that at least one acceleration sensor 4 is always located above a conductive area 2.1.
  • the device for generating a constant magnetic flux ⁇ 1 is a permanent magnet.
  • the eddy currents that change during an accelerated movement in turn cause a magnetic flux ⁇ 2, which is detected by the acceleration sensors in the form of several coils 4.
  • the acceleration sensors 4 are to be arranged in such a way or so many acceleration sensors 4 are to be provided that at least one acceleration sensor 4 is always located above a conductive region 2.1 during the rotation. Furthermore, eddy currents should not be determined at the edge of the conductive regions 2.1, since there are influences on the eddy currents due to the boundary of the conductive region 2.1, so that it is advantageous to arrange at least three acceleration sensors 4. This can ensure that a change in the eddy current field due to acceleration can always be detected by at least one acceleration sensor 4.
  • the switching device 8 can be implemented by a multiplexer known from the prior art, for which in a control unit 9 from the shape of the conductive areas 2.1, above which the acceleration sensors 4 are arranged Arrangement of the acceleration sensors 4, the determined position and the direction of rotation, the control signals S for switching are determined.
  • the switch from one acceleration sensor 4 to the next takes place in the order of their arrangement clockwise or counterclockwise after a 120 ° rotation of the graduation 2.
  • the conductive areas 2.1 of the absolute graduation 2 can be provided on both sides of the graduation carrier 7. Then the top and bottom sides are also scanned by acceleration sensors 4.
  • a graduation structure 2 of a linear encoder system is directly integrated into a measurement structure 1 for the accelerometer.
  • the measuring structure 1 is electrically homogeneous and optically inhomogeneous.
  • a tape-shaped electrical conductor 1 is provided as the measuring structure 1 for the accelerometer, the scanning head 5 of which surface facing light only reflects light slightly.
  • the surface of the band-shaped conductor 1 is then processed in such a way that light is well reflected in processed areas in accordance with the desired division period of the position transmitter.
  • the reverse case is also possible that light is well reflected by the band-shaped electrical conductor 1 and is only poorly reflected after processing in the processed areas.
  • an incremental or absolute division 2 can be realized, which can be used for a position measurement based on an optical scanning principle. Since only the optical properties of the surface of the band-shaped conductor 1 have been changed, its electrical conductivity is not changed by the division 2, and the eddy currents for acceleration measurement are not influenced by the division 2 for position measurement.
  • the processing of areas to make them more or less reflective can be done in several different ways. For example, a thin, non-conductive marking can be applied or an existing thin, non-conductive marking can be removed. The thin, non-conductive marking and the electrical conductor 1 should have other optical properties, as a result of which a division 2 is realized for optical scanning.
  • the structure of the material is changed in accordance with the division period T.
  • the structure of the electrical conductor 1 can be partially changed, for example by conversion or doping, in order to achieve a division 2 without changing the electrical properties.
  • conductive material with different optical properties compared to the material of the measuring structure 1 is deposited at these points. The amount of deposited material is selected depending on the conductivity of this material, so that the measuring structure 1 for the acceleration measurement again has the same electrical conductivity at every point.

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Abstract

Die elektrisch leitende Messstruktur (1) des Beschleunigungsgebers, welcher nach dem Ferraris-Prinzip arbeitet, trägt auch die Massverkörperung (2) zur Positionsmessung. Um einen platzsparenden Aufbau zu erreichen, sind die Messstruktur (1) und die Massverkörperung (2) an einem gemeinsamen Bereich einander überlagernd angeordnet.

Description

Gebersystem mit einem Beschleunigungsgeber und einem Positionsgeber
Die Erfindung betrifft ein Gebersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Gebersystem ist in der EP 0 661 543 B1 beschrieben. Es be- steht aus einem Beschleunigungsgeber in Form eines Ferraris-Sensors, bei dem eine elektrisch leitende Scheibe als Messstruktur von einem magnetischen Fluss senkrecht durchströmt wird. Dieser magnetische Fluss wird durch einen Magneten erzeugt. Wird die Scheibe relativ zum Magnet bewegt, entstehen Wirbelströme, die wiederum ein magnetisches Feld erzeu- gen. Die Änderung dieses magnetischen Feldes bzw. Flusses wird durch einen Detektor in Form einer Spule erfasst und ist ein Maß für die Beschleunigung. Am Rand dieser Scheibe ist eine optisch oder induktiv abtastbare Maßverkörperung angebracht, die zur Positionsermittlung der Scheibe von einem Abtastkopf abgetastet wird.
Dabei ist von Nachteil, dass die Scheibe relativ viel Platz benötigt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gebersystem mit einem Beschleunigungsgeber und einem Positionsgeber derart auszugestalten, dass ein mög- liehst kompakter Aufbau erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Gebersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Gebersystem weist den Vorteil auf, dass die zur Positionsmessung erforderliche Maßverkörperung unmittelbar auf der Mess- Struktur zur Beschleunigungsmessung vorgesehen ist und damit platzsparend angeordnet ist. Das Beschleunigungssignal und das Positionssignal werden dabei aus einem gemeinsamen Abtastbereich abgeleitet. Es wurde erkannt, dass keine quer zur Messrichtung nebeneinander liegenden Abtastbereiche erforderlich sind.
Vorteilhaft werden durch die Maßverkörperung die elektrischen Eigenschaften der Messstruktur des Beschleunigungsgebers nicht beeinflusst. Die Maßverkörperung des Beschleunigungsgebers kann in einer separaten Schicht bzw. in einem Schichtenpaket realisiert werden, die mit der Messstruktur des Beschleunigungsgebers derart verbunden ist, dass sich die Messstruktur unabhängig von den die Maßverkörperung tragenden Schichten ausdehnen kann.
Alternativ kann die Maßverkörperung in der Messstruktur selbst ausgebildet sein, wobei dann Maßnahmen wie Signalfilterung, Signalglättung, Multiplexen bzw. Umschalten zwischen mehreren Detektoren oder Mittelung getroffen werden müssen, um das Beschleunigungssignal möglichst unbeeiflusst von der Maßverkörperung zu erhalten.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gebersystems,
Figur 2 eine zweites Ausführungsbeispiel,
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht der Messstruktur des dritten Ausführungsbeispiels und
Figur 5 ein viertes Ausführungsbeispiel. Das Gebersystem gemäß Figur 1 besteht aus einer Scheibe 1 aus elektrisch leitendem Material, auf deren Oberfläche eine Maßverkörperung in Form einer lichtelektrisch abtastbaren inkrementalen Teilung 2 ausgebildet ist. Hierzu kann die Scheibe 1 auf ihrer Oberfläche selbst strukturiert sein, in- dem beispielsweise partiell in Umfangsrichtung (Bewegungsrichtung X) Vertiefungen eingebracht werden, wobei die abwechselnd angeordneten Vertiefungen und Erhebungen ein an sich bekanntes reflektierendes Phasengitter bilden.
Die Teilung 2 kann aber auch als separate Schicht bzw. als Schichtenpaket auf der Scheibe 1 ausgebildet sein, diese Ausführung ist in Figur 1 gestrichelt eingezeichnet.
Zur Messung der Beschleunigung der Scheibe 1 in Bewegungsrichtung X (Drehung) ist ein Magnet 3 oder eine Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes Φ1 vorgesehen, das auf die Scheibe 1 senkrecht zur Bewegungsrichtung X einwirkt. Das Magnetfeld Φ1 erzeugt in der Scheibe 1 Wirbelströme, welche proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit der Scheibe 1 sind. Diese Wirbelströme erzeugen ein weiteres Magnetfeld Φ2, das durch eine Spule 4 detektiert wird. Die in der Spule 4 induzierte Spannung U ist proportional der Beschleunigung der Scheibe 1. Dieses Prinzip der Beschleunigungsmessung ist auch als Ferraris-Prinzip bekannt.
Erfindungsgemäß wird das Positionssignal P für die Positionsmessung aus dem gleichen Bereich der Scheibe 1 gewonnen, aus dem auch die Beschleunigung U abgeleitet wird. Hierzu ist der Teilung 2 ein Abtastkopf 5 zugeordnet, der in bekannter Weise eine Lichtquelle und einen Photoempfänger beinhaltet. Das Licht der Lichtquelle ist auf die Teilung 2 gerichtet, wird dort positionsabhängig moduliert und wird zum Photoempfänger reflektiert.
Wenn die Teilung 2 integraler Bestandteil der Scheibe 1 ist, oder wenn die Teilung 2 eine Schicht aus elektrisch leitendem Material aufweist, bilden sich in der Regel auch in der Teilung 2 Wirbelströme aus. Dies kann die Be- schleunigungsmessung unerwünscht beeinflussen. Um Wirbelströme in der Teilung 2 zu verhindern, wird für die Teilungsperiode T ein Wert gewählt, dass diese nicht fließen können. Dabei wird ausgenutzt, dass Wirbelströme eine gewisse räumliche Erstreckung aufweisen, die in einer Teilung 2 mit entsprechend feiner Teilungsperiode T von insbesondere kleiner 0,3 mm nicht gegeben ist. Dadurch kann wirkungsvoll verhindert werden, dass im Bereich der Teilung 2, obwohl diese aus leitendem Material besteht, Wirbelströme induziert werden und das Messergebnis der Beschleunigungsmessung verfälschen können.
Besteht die Teilung 2 ausschließlich aus elektrisch nichtleitendem Material, beeinflusst die Teilung 2 die Beschleunigungsmessung nicht. Die Teilung 2 kann dabei ein an sich bekanntes Phasengitter aus in Messrichtung X abwechselnd angeordneten Bereichen mit unterschiedlichen Brechungs- indizes und / oder Stufenhöhe sein.
Enthält die Teilung 2 elektrisch leitendes Material und wir die Teilungsperiode T nicht so fein gewählt, dass Wirbelströme gar nicht entstehen können, besteht die Möglichkeit, die aktive Detektionsfläche der Spule 4 so groß zu wählen, dass das durch die Wirbelströme verursachte und von der Spule 4 erfasste magnetische Feld Φ2 über viele Teilungsperioden P gemittelt wird. Dadurch werden durch die Teilung 2 nur noch geringe Schwankungen im detektierten Beschleunigungssignal U verursacht. Um über möglichst viele Teilungsperioden P zu integrieren, kann die Spule 4 derart ausgestaltet sein, dass die aktive Fläche durch die der durch den Wirbelstrom verursachte Fluss Φ2 hindurchtritt zumindest annähernd einen Vollkreis von 360° beschreibt. Alternativ ist auch eine Parallel- oder Reihenschaltung mehrerer kleinerer Spulen denkbar. Dabei ist es vorteilhaft, die Spule bzw. die Spulen in Dünnschichttechnik zu fertigen. Dabei kann der Träger für die Spulen gleichzeitig der Träger für die Elemente des Abtastkopfes zur Positionsmessung sein.
Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, dass im detektierten Beschleunigungssignal U die Positionsinformation P enthalten ist und diese hochfre- quenten Signalanteile mittels eines Hochpasses vom niederfrequenten Signalanteil des Beschleunigungssignals U getrennt wird. Durch das Ausgangssignal des Hochpassfilters wird dann ein Zähler angesteuert, der Positionsänderungen in Vielfachen der Teilungsperiode T zählt. Durch Auswer- tung des Ausgangssignals U der Spule 4 wird dann sowohl die Position als auch die Beschleunigung ermittelt.
Ist die Teilung 2 als separate Schicht oder als Schichtenpaket auf der Scheibe 1 ausgebildet, ist es vorteilhaft, wenn die Verbindung der Teilung 2 an der Scheibe 1 eine temperaturbedingte Ausdehnung der Scheibe 1 relativ zur Teilungsschicht 2 erlaubt, ohne dass eine unzulässige Kraft auf die Teilungsschicht 2 ausgeübt wird, so dass keine Deformation oder gar Zerstörung der Teilungsschicht 2 aufgrund einer Ausdehnung der Scheibe 1 resultiert.
Die Teilung 2 kann auch kapazitiv, induktiv oder magnetisch abtastbar ausgebildet sein.
Die Messstruktur zur Beschleunigungsmessung muss nicht als Scheibe 1 ausgeführt sein, sie kann auch als eine Schicht 6 aus elektrisch leitendem Material auf einem isolierenden Träger 7, beispielsweise aus Glas, Kunststoff oder Leiterplatten material aufgebracht sein. Die Teilung 2 kann auf diesem Träger 7 auf der Schicht 6 in Form eines gestuften reflektierenden Phasengitters oder in Form eines nach bekannten lithographischen Verfahren hergestellten Amplitudengitters ausgebildet sein. Diese Ausführungsform ist in Figur 2 schematisch dargestellt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 und 4 wird beschrieben, wie leitende Bereiche 2.1 einer absoluten Teilung 2 gleichzeitig als Messstruktur zur Beschleunigungsmessung benutzt werden können. Figur 3 zeigt die Draufsicht einer bekannten absoluten Teilung 2, die sowohl zur Positionsermittlung als auch erfindungsgemäß durch Beschleunigungssensoren 4 abgetastet wird. Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Teilung 2 wie in Figur 3. Elektrisch leitende Bereiche 2.1 sind auf einem rotierenden, nicht leitenden Träger 7 verteilt angeordnet, so dass die leitenden Bereiche 2.1 eine absolut codierte Teilung 2 bilden. Die Beschleunigungssensoren 2.1 sind gemäß Figur 3 derart angeordnet, dass immer zumindest ein Beschleunigungssensor 4 sich über einem leitenden Bereich 2.1 befindet. Aufgrund eines konstanten magnetischen Flusses Φ1 senkrecht zur Oberfläche der Teilung 2, der durch eine hier nicht dargestellte Vorrichtung erzeugt wird, werden bei einer beschleunigten Bewegung der Teilung 2 sich ändernde Wirbelströme in den leitenden Bereichen 2.1 verursacht. Die Vorrichtung zur Erzeugung eines konstanten magnetischen Flusses Φ1 ist im einfachsten Fall ein Permanentmagnet. Die sich bei einer beschleunigten Bewegung ändernden Wirbelströme verursachen ihrerseits einen magnetischen Fluss Φ2, der durch die Beschleunigungssensoren in Form von mehreren Spulen 4 detektiert wird.
Dabei sind die Beschleunigungssensoren 4 derart anzuordnen bzw. es sind so viele Beschleunigungssensoren 4 vorzusehen, dass sich während der Drehung immer mindestens ein Beschleunigungssensor 4 über einem leitenden Bereich 2.1 befindet. Weiterhin sollen Wirbelströme nicht am Rand der leitenden Bereiche 2.1 ermittelt werden, da dort Beeinflussungen der Wirbelströme aufgrund der Grenze des leitenden Bereichs 2.1 auftreten, so dass es vorteilhaft ist mindestens drei Beschleunigungssensoren 4 anzuordnen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass immer durch mindestens einen Beschleunigungssensor 4 eine Änderung des Wirbelstromfeldes aufgrund einer Beschleunigung detektiert werden kann.
Entsprechend der Form der leitenden Bereiche 2.1 , über denen die Beschleunigungssensoren 4 angeordnet sind, der Anordnung der Beschleunigungssensoren 4, der ermittelten Position und der Drehrichtung wird durch eine Umschalteinrichtung 8 jeweils das Ausgangssignal desjenigen Be- schleunigungssensors 4 zur Auswertung weitergeleitet, der sich gerade über einem leitenden Bereich 2.1 befindet. Die Umschalteinrichtung 8 kann dabei durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Multiplexer realisiert werden, für den in einer Steuereinheit 9 aus der Form der leitenden Bereiche 2.1 , über denen die Beschleunigungssensoren 4 angeordnet sind, der Anordnung der Beschleunigungssensoren 4, der ermittelten Position und der Drehrichtung die Steuersignale S zur Umschaltung ermittelt werden. Für die in Fig. 3 dargestellte Konfiguration aus Beschleunigungssensoren 4 und leitenden Bereichen 2.1 einer absoluten Teilung 2 erfolgt die Umschaltung von einem Beschleunigungssensor 4 zum nächsten in der Reihenfolge ihrer Anordnung im oder gegen den Uhrzeigersinn nach einer 120° Drehung der Teilung 2.
In einer weiteren Ausgestaltung können die leitenden Bereiche 2.1 der ab- soluten Teilung 2 auf beiden Seiten des Teilungsträgers 7 vorgesehen sein. Dann werden auch Ober- und Unterseite durch Beschleunigungssensoren 4 abgetastet. Dies weist den Vorteil auf, dass durch eine entsprechende Ver- schaltung der Ausgangssignale der Beschleunigungssensoren 4 ein schwankender Abstand zwischen Beschleunigungssensoren 4 und leitenden Bereichen 2.1 kompensiert werden kann. Wenn sich der Abstand zwischen Beschleunigungssensoren 4 und leitenden Bereichen 2.1 auf der Oberseite vergrößert, verkleinert sich dieser Abstand auf der Unterseite und umgekehrt. Dies wird zur Kompensation der dadurch verursachten Amplitudenschwankungen in den Ausgangssignalen der Beschleunigungssensoren 4 genutzt.
Die bisherigen Ausführungsbeispiele beziehen sich alle auf rotatorische Gebersysteme. Die in diesen Ausführungsbeispielen angegebene Lehre zum technischen Handeln kann jedoch identisch auch bei linearen Messsyste- men angewandt werden, ebenso wie die Lehre zum technischen Handeln bei dem nun folgenden Ausführungsbeispiel für ein lineares Gebersystem identisch bei einem rotatorischen Gebersystemen angewandt werden kann.
In dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 5 wird eine Teilungsstruktur 2 eines linearen Gebersystems in eine Messstruktur 1 für den Beschleunigungsgeber unmittelbar integriert. Dies erfolgt dadurch, dass die Messstruktur 1 elektrisch homogen und optisch inhomogen ausgestaltet wird. Hierfür ist als Messstruktur 1 für den Beschleunigungsgeber ein bandförmiger elektrischer Leiter 1 vorgesehen, dessen Abtastkopf 5 zugewandte Oberfläche Licht nur geringfügig reflektiert. Es wird anschließend die Oberfläche des bandförmigen Leiters 1 derart bearbeitet, dass entsprechend der gewünschten Teilungsperiode des Positionsgebers Licht in bearbeiteten Bereichen gut reflektiert wird. Selbstverständlich ist auch der umgekehrte Fall möglich, dass Licht vom bandförmigen elektrischen Leiter 1 gut reflektiert wird und nach einer Bearbeitung in den bearbeiteten Bereichen nur noch schlecht reflektiert wird.
Dadurch, dass sich bearbeitete und nicht bearbeitete Bereiche mit der Teilungsperiode T abwechseln, kann eine inkrementale oder absolute Teilung 2 realisiert werden, die für eine auf einem optischen Abtastprinzip beruhende Positionsmessung benutzt werden kann. Da nur die optischen Eigenschaften der Oberfläche des bandförmigen Leiters 1 verändert wurden, wird dessen elektrische Leitfähigkeit durch die Teilung 2 nicht verändert und dadurch werden auch die Wirbelströme zur Beschleunigungsmessung durch die Teilung 2 zur Positionsmessung nicht beeinflusst.
Die Bearbeitung von Bereichen, um diese mehr oder weniger reflektierend auszugestalten, kann auf mehrere unterschiedliche Arten erfolgen. Beispielsweise kann eine dünne, nicht leitende Markierung aufgebracht werden oder eine bereits vorhandene dünne, nicht leitende Markierung entfernt werden. Dabei sollen die dünne, nicht leitende Markierung und der elektrische Leiter 1 andere optische Eigenschaften aufweisen, wodurch eine Teilung 2 für eine optische Abtastung realisiert wird.
Weitere Möglichkeiten den elektrischen Leiter 1 mit einer optischen, induktiven, magnetischen oder kapazitiven Teilung 2 zu versehen ohne den elektri- sehen Widerstand zu ändern bestehen darin, dass das Gefüge des Materials entsprechend der Teilungsperiode T verändert wird. Weiterhin kann das Gefüge des elektrischen Leiters 1 beispielsweise durch Umwandlung oder Dotierung partiell verändert werden, um eine Teilung 2 ohne Änderung der elektrischen Eigenschaften zu realisieren. Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit an den Stellen, an denen Markierungen für die Positionsmessung vorgesehen sind, Material aus der Messstruktur 1 zu entfernen. Die kann beispielsweise in einem Ätzprozess erfolgen. Dadurch wird die Leitfähigkeit an diesen Stellen verringert, was unerwünscht sein kann. Um dies wieder auszugleichen, wird an diesen Stellen leitendes Material mit im Vergleich zum Material der Messstruktur 1 unterschiedlichen optischen Eigenschaften abgeschieden. Dabei wird die Menge abgeschiedenen Materials abhängig von der Leitfähigkeit dieses Materials gewählt, so dass die Messstruktur 1 für die Beschleunigungsmes- sung wieder an jeder Stelle die gleiche elektrische Leitfähigkeit aufweist.

Claims

Ansprüche
1. Gebersystem mit einem Geber zur Ermittlung der Beschleunigung und einem Geber zur Ermittlung der Position, wobei der Geber zur Ermittlung der Beschleunigung aus einem Körper mit einer elektrisch leitenden, nicht ferromagnetischen Messstruktur (1) sowie aus einer Vorrichtung (3) zur Erzeugung eines magnetischen
Feldes (Φ1), welches auf die Messstruktur (1) einwirkt und aus einem Detektor (4) zur Erfassung eines magnetischen Feldes (Φ2) oder von Feldänderungen, welches aufgrund von in der Messstruktur (1 ) erzeugten Wirbelströmen entsteht, besteht; - der Geber zur Ermittlung der Position eine Maßverkörperung (2) aufweist; die ferromagnetische Messstruktur (1) und die Maßverkörperung (2) an einem gemeinsamen Körper ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass - die Messstruktur (1) und die Maßverkörperung (2) an einem gemeinsamen Bereich dieses Körpers einander überlagernd bzw. ineinander integriert angeordnet sind und ein Beschleunigungssignal (U) und ein Positionssignal (P) aus einem gemeinsamen Abtastbereich abgeleitet werden.
2. Gebersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung aus elektrisch leitenden Bereichen (2) besteht.
3. Gebersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Feld (Φ2) positionsabhängig in Bewegungsrichtung
(X) des Körpers (1) variiert, und dass der Detektor (4) das Beschleunigungssignal (U) und überlagert das Positionssignal (P) liefert.
4. Gebersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Be- schleunigungssignal (U) einem Filter zur Auswahl hochfrequenter Sig- nalkomponenten zugeführt ist, und dass aus den hochfrequenten Signalkomponenten ein inkrementales Positionssignal (P) abgeleitet wird.
5. Gebersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass - die Maßverkörperung partiell elektrisch leitende Bereiche (2) aufweist, mehrere Detektoren (4) vorgesehen sind, und eine Umschalteinrichtung (8) vorgesehen ist, um ein Ausgangssignal der Detektoren (4) als Beschleunigungssignal (U) auszuwählen.
6. Gebersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Feld (Φ2) positionsabhängig in Bewegungsrichtung (X) des Körpers (1) variiert, und dass der Detektor (4) einen Bereich abtastet, so dass das Ausgangssignal (U) von der Maßverkörperung (2) zumindest weitgehend unmoduliert ist.
7. Gebersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (2) lichtreflektierend ausgebildet ist und aus in Bewe- gungsrichtung (X) des Körpers (1) abwechselnd angeordneten Erhebungen und Vertiefungen besteht.
8. Gebersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen aus elektrisch leitenden Bereichen bestehen, deren Abmes- sungen so klein gewählt sind, dass keine Wirbelströme entstehen.
9. Gebersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (2) lichtelektrisch abtastbar ausgebildet ist und zur Abtastung ein optischer Abtastkopf (5) vorgesehen ist.
10. Gebersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (2) aus einer Schicht oder einem Schichtenpaket besteht, das auf der elektrisch leitenden Messstruktur (1) aufgebracht ist.
1. Gebersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstruktur eine Schicht (6) oder ein Schichtenpaket aus elektrisch leitendem Material auf einem elektrisch nichtleitenden Träger (7) ist.
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DE50015183T DE50015183D1 (de) 1999-09-30 2000-08-02 Em positionsgeber
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ES00962286T ES2304975T3 (es) 1999-09-30 2000-08-02 Un sistema de sensor que comprende un sensor de aceleracion y un sensor de posicion.

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2371653B (en) * 2000-02-21 2003-08-06 Trek Technology A portable data storage device
US6848308B2 (en) * 2000-12-22 2005-02-01 Siemens Aktiengesellschaft Circuit arrangement for evaluating an acceleration sensor using the Ferraris principle
US6850053B2 (en) 2001-08-10 2005-02-01 Siemens Aktiengesellschaft Device for measuring the motion of a conducting body through magnetic induction
US6851318B2 (en) * 2002-04-15 2005-02-08 Siemens Aktiengesellschaft Motion detector according to the Ferraris principle

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7749089B1 (en) 1999-02-26 2010-07-06 Creative Kingdoms, Llc Multi-media interactive play system
US7445550B2 (en) 2000-02-22 2008-11-04 Creative Kingdoms, Llc Magical wand and interactive play experience
US6761637B2 (en) 2000-02-22 2004-07-13 Creative Kingdoms, Llc Method of game play using RFID tracking device
US7878905B2 (en) 2000-02-22 2011-02-01 Creative Kingdoms, Llc Multi-layered interactive play experience
US7066781B2 (en) 2000-10-20 2006-06-27 Denise Chapman Weston Children's toy with wireless tag/transponder
DE10125097A1 (de) 2001-05-23 2002-11-28 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Ferraris-Sensor
WO2003031993A1 (de) * 2001-10-08 2003-04-17 Dr.Johannes Heidenhain Gmbh Gekapseltes messgerät
US20070066396A1 (en) 2002-04-05 2007-03-22 Denise Chapman Weston Retail methods for providing an interactive product to a consumer
US6967566B2 (en) 2002-04-05 2005-11-22 Creative Kingdoms, Llc Live-action interactive adventure game
US7674184B2 (en) 2002-08-01 2010-03-09 Creative Kingdoms, Llc Interactive water attraction and quest game
US9446319B2 (en) 2003-03-25 2016-09-20 Mq Gaming, Llc Interactive gaming toy
JP4805633B2 (ja) 2005-08-22 2011-11-02 任天堂株式会社 ゲーム用操作装置
US8313379B2 (en) 2005-08-22 2012-11-20 Nintendo Co., Ltd. Video game system with wireless modular handheld controller
US7927216B2 (en) 2005-09-15 2011-04-19 Nintendo Co., Ltd. Video game system with wireless modular handheld controller
US8870655B2 (en) 2005-08-24 2014-10-28 Nintendo Co., Ltd. Wireless game controllers
JP4262726B2 (ja) 2005-08-24 2009-05-13 任天堂株式会社 ゲームコントローラおよびゲームシステム
US8308563B2 (en) 2005-08-30 2012-11-13 Nintendo Co., Ltd. Game system and storage medium having game program stored thereon
US8157651B2 (en) 2005-09-12 2012-04-17 Nintendo Co., Ltd. Information processing program
JP4151982B2 (ja) 2006-03-10 2008-09-17 任天堂株式会社 動き判別装置および動き判別プログラム
JP5127242B2 (ja) 2007-01-19 2013-01-23 任天堂株式会社 加速度データ処理プログラムおよびゲームプログラム
US8166818B2 (en) * 2009-03-26 2012-05-01 Honeywell International Inc. Using pole pieces to guide magnetic flux through a MEMS device and method of making
WO2012103870A1 (de) 2011-01-31 2012-08-09 Witeg Labortechnik Gmbh Flaschendispenser mit digitaler volumenanzeige
DE102011007756A1 (de) * 2011-04-20 2012-10-25 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Positionsmesseinrichtung sowie Maßstab und Verfahren zur Herstellung eines Maßstabs
US20140002642A1 (en) 2012-06-15 2014-01-02 Elmar SWIEGOT Absolute position detection
KR102303909B1 (ko) * 2014-05-13 2021-09-24 삼성전자주식회사 휴대 단말기 및 차량용 어플리케이션 제어 방법
CN112379117B (zh) * 2020-11-16 2021-12-07 北京理工大学 磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器
CN112379118B (zh) * 2020-11-16 2021-12-07 北京理工大学 一种旋转角速度和旋转角加速度一体化测量装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4507607A (en) * 1982-06-10 1985-03-26 Westinghouse Electric Corp. Angular accelerometer
EP0661543A1 (de) * 1993-12-29 1995-07-05 BOEHRINGER, Andreas, Prof. Dr.-Ing.habil. Gebersystem zur Ermittlung wenigstens einer der drei Grössen Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder Winkellage eines rotierenden Bauteils

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4751459A (en) 1986-09-18 1988-06-14 Synektron Corporation Magnetic tachometer or accelerometer having highly permeable eddy current flux circuit
FR2612266B1 (fr) * 1987-03-13 1989-07-13 Aerospatiale Palier magnetique pour le centrage actif, selon au moins un axe, d'un corps mobile selon un autre corps
US5367257A (en) * 1992-05-14 1994-11-22 Garshelis Ivan J Non-contact, magnetic sensor for determining direction of motion and velocity of a movable member
DE10032143C2 (de) * 1999-09-30 2002-07-18 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Ferraris-Sensor und Verfahren zum Betrieb eines Ferraris-Sensors

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4507607A (en) * 1982-06-10 1985-03-26 Westinghouse Electric Corp. Angular accelerometer
EP0661543A1 (de) * 1993-12-29 1995-07-05 BOEHRINGER, Andreas, Prof. Dr.-Ing.habil. Gebersystem zur Ermittlung wenigstens einer der drei Grössen Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder Winkellage eines rotierenden Bauteils

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2371653B (en) * 2000-02-21 2003-08-06 Trek Technology A portable data storage device
US6848308B2 (en) * 2000-12-22 2005-02-01 Siemens Aktiengesellschaft Circuit arrangement for evaluating an acceleration sensor using the Ferraris principle
US6850053B2 (en) 2001-08-10 2005-02-01 Siemens Aktiengesellschaft Device for measuring the motion of a conducting body through magnetic induction
US6851318B2 (en) * 2002-04-15 2005-02-08 Siemens Aktiengesellschaft Motion detector according to the Ferraris principle

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ES2304975T3 (es) 2008-11-01
JP2003510611A (ja) 2003-03-18
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