DE10251887A1

DE10251887A1 - Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber

Info

Publication number: DE10251887A1
Application number: DE10251887A
Authority: DE
Inventors: Michelle M Milvich
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2003-05-22
Also published as: JP2003149002A; GB2382877B; GB0225045D0; US6720760B2; GB2382877A; US20030090264A1

Abstract

Eine Skalenschienenmeßschleife, die durch eine Meßschleifenleiterbahn aus elektrisch leitendem Material gebildet ist, kann in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber verwendet werden. Die Skalenschienenmeßschleife ist ununterbrochen und besitzt in Abhängigkeit von der Konfiguration des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers eine spezielle Form. Die Skalenschienenmeßschleife ist mit weiteren gut leitenden Materialien nicht in Kontakt. Die Abmessungen des Querschnitts der leitenden Leiterbahn werden so gewählt, daß die Übertragung von Energie durch den Meßwertgeber vergrößert ist.

Description

Die Erfindung betrifft Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber für Linear- und Drehbewegungen.

Es sind verschiedene Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber bekannt. Das US-Patent Nr. 5.973.494, das hier in seiner Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist, offenbart einen elektronischen Meßtaster, der eine Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber verwendet. Das US-Patent Nr. 6.005.387, das hier in seiner Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist, offenbart verschiedene Präzisions-Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber mit verminderter Regelabweichung sowie zugehörige Signalverarbeitungstechniken. Die US-Anmeldung Nr. 09/421.497-A, die hier in ihrer Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist, offenbart verschiedene Präzisions-Induktionsstrom- Meßwertgeber für die Absolutposition mit verminderter Regelabweichung sowie zugehörige Signalverarbeitungstechniken.

Ein Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber des Typs mit verminderter Regelabweichung enthält im allgemeinen eine Senderwicklung, eine entsprechende Empfängerwicklung und eine Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung an einem Lesekopf. Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber des Typs mit verminderter Regelabweichung werden häufig so konfiguriert, daß die Senderwicklung und die entsprechende Empfängerwicklung am Lesekopf separate Bereiche belegen. Die Senderwicklung und die entsprechende Empfängerwicklung sind in einer Richtung quer zur Meßachse des Positionsmeßwertgebers beabstandet. Der Meßwertgeber enthält außerdem eine Skalenschiene mit wenigstens einer Skalenschienenmeßschleife. Die Senderwicklung ist mit einem ersten Abschnitt der Skalenschienenmeßschleife induktiv gekoppelt, während ein zweiter Abschnitt der Skalenschienenmeßschleife wiederum mit der entsprechenden Empfängerwicklung induktiv gekoppelt ist.

Wenn ein zeitlich veränderliches Signal, das von der Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltung stammt, durch die Senderwicklung läuft, wird ein primäres Magnetfeld erzeugt. Die Senderwicklung ist durch das primäre Magnetfeld mit den ersten Abschnitten der Skalenschienenmeßschleifen induktiv gekoppelt. Die zweiten Abschnitte der Skalenschienenmeßschleifen erzeugen sekundäre Magnetfelder. Die Empfängerwicklung ist durch das sekundäre Magnetfeld mit den zweiten Abschnitten der Skalenschienenmeßschleifen induktiv gekoppelt.

Die Senderwicklung und/oder die Empfängerwicklung ist in einem periodischen Muster gebildet, wie etwa ein sinusförmiges Muster, mit Abmessungen, die den Kopplungsmeßschleifen entsprechen. In der Technik sind verschiedene Wicklungskonfigurationen bekannt, um die induktive Fremdkopplung in der Vorrichtung zu vermindern. Die Empfängerwicklung sind mit den zweiten Meßschleifenabschnitten der Skalenschienenmeßschleifen in unterschiedlicher Stärke, die von der Position der Skalenschiene in bezug auf den Lesekopf abhängt, induktiv gekoppelt.

Das US-Patent Nr. 6.011.389, das hier in seiner Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist, offenbart einen inkrementalen Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber. Die US-Patente Nr. 5.804.963, 4.853.684 und 6.259.249 offenbaren verschiedene weitere Typen von Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebern. Die Patente '389, '963, '684 und '249 enthalten Konfigurationen der Skalenschiene, bei denen in einigen Ausführungsformen periodisch angeordnete Skalenelemente leitenden Meßschleifen umfassen. Diese Patente enthalten jedoch keine Aussage, die auf die Abmessung der Leiter, die die leitenden Skalenschienenmeßschleifen enthalten, gerichtet sind.

Ferner sind die Leitergrößen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, widersprüchlich und/oder Bildfehler des Darstellungsvorgangs. Ferner sind die Sender- und Empfängerwicklungen der obenerwähnten Patente entweder nicht in einer Richtung quer zur Meßachse ihrer jeweiligen Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber beabstandet oder ihr zugrundeliegendes Funktionsprinzip ist in anderer Weise wesentlich verschieden von demjenigen, das der vorliegenden Erfindung zugehörig ist. Zumindest aus diesen Gründen sind die Patente '389, '963, '684 und '249 nicht instruktiv in bezug auf die Konstruktionen der Skalenschienenmeßschleife gemäß dieser Erfindung.

Bei den Positionsmessungen, die mit Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebern des Typs mit verminderter Regelabweichung erreicht werden, ist eine verbesserte Genauigkeit und Auflösung in bezug auf die Genauigkeit und die Auflösung, die mit bekannten Vorrichtungen möglich sind, erwünscht.

Die Genauigkeit und die Auflösung der Messungen, die mit Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebern des Typs mit verminderter Regelabweichung ausgeführt werden, bezieht sich im allgemeinen auf die Signalstärke, die durch den Meßwertgeber geliefert wird, und auf den zugehörigen Störabstand der gesamten Signalverarbeitung des Positionsmeßwertgebers. Die Signalstärke bezieht sich wiederum auf den Wirkungsgrad der Skalenschienenmeßschleifen bei der induktiven Kopplung an die Sender- und Empfängerwicklungen des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers des Typs mit verminderter Regelabweichung. Daher ist der Koppelwirkungsgrad der Skalenschienenmeßschleifen ein wichtiger Faktor bei derartigen Meßwertgeberkonstruktionen.

Die Auflösung von Messungen, die mit Induktionsstrom- Positionsmeßwertgebern des Typs mit verminderter Regelabweichung ausgeführt werden, wird besser, wenn die räumliche Periode oder die Wellenlänge des räumlich veränderlichen Magnetfelds, das durch die Skalenschienenmeßschleifen erzeugt wird, kurz ist und wenn das Signal, das durch den Empfänger gemessen wird, einen großen Störabstand besitzt. Da jedoch die räumliche Periode oder die Wellenlänge des Magnetfelds, das durch die Skalenschienenmeßschleifen erzeugt wird, durch die Verminderung der Abmessungen der Skalenschienenmeßschleifen längs der Meßachse kleiner wird, ist das von den Skalenschienenmeßschleifen gelieferte Signal bei einem vorgegebenen Betriebsabstand von den Skalenschienenmeßschleifen im allgemeinen schwächer. Ferner wird die Herstellung der Skalenschiene im allgemeinen teurer, wenn die Abmessungen der Skalenschienenmeßschleifen kleiner werden.

Es besteht demzufolge ein Bedarf an verbesserten Konstruktionen von Skalenschienenmeßschleifen, die dazu beitragen, den Wirkungsgrad zu verbessern und die Herstellungskosten von Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebern zu senken.

Der Störabstand des Signals, das durch die Skalenschienenmeßschleifen in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber des Typs mit verminderter Regelabweichung erzeugt wird, hängt wesentlich vom Wirkungsgrad der Energieübertragung durch die Skalenschienenmeßschleifen ab. Der Wirkungsgrad der Energieübertragung durch die Skalenschienenmeßschleifen verbessert sich im allgemeinen durch die Verminderung des Widerstands und die Vergrößerung der Eigeninduktivität der Skalenschienenmeßschleifen. Diese Faktoren können durch Veränderung des Layouts der Skalenschienenmeßschleifen und der Querschnittsabmessungen der Skalenschienenleiterbahnen, die jede der Skalenschienenmeßschleifen individuell bilden, beeinflußt werden.

Durch Faktoren, wie etwa die gewünschte Skalenwellenlänge und die gewünschten Gesamtabmessungen der Skalenschiene und des Lesekopfs des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers des Typs mit verminderter Regelabweichung werden jedoch der Skalenschienenmeßschleife Konstruktionseinschränkungen aufgezwungen. Besonders dann, wenn eine gewünschte Konstruktion den Abstand einschränkt, der durch eine Skalenschienenmeßschleife längs der Meßachse überspannt wird, muß eine Ausgewogenheit zwischen der Breite der Skalenschienenleiterbahn, die den Widerstand darstellt, und der Innenfläche der Skalenschienenmeßschleife, die die Eigeninduktivität darstellt, erreicht werden. Daher muß eine optimale Konstruktion von Skalenschienenmeßschleifen die Beziehung zwischen diesen Parametern sowie weitere praktische Herstellungshinweise berücksichtigen.

Der Widerstand einer Skalenschienenmeßschleife ist von der Geometrie der Skalenschienenleiterbahn, aus der die Skalenschienenmeßschleife gebildet ist, abhängig. Der Widerstand der Skalenschienenmeßschleife ist insbesondere von der Dicke und der Breite der Leiterbahn sowie von ihrer Länge abhängig. Der effektive Widerstand einer funktionsfähigen Skalenschienenmeßschleife ist außerdem auch von der Eindringtiefe der Skalenschienenleiterbahn abhängig. Die Eindringtiefe ist wiederum vom Material, aus dem die Skalenschienenleiterbahn gebildet ist, und von der Betriebsfrequenz des induktiven Positionsmeßwertgebers des Typs mit verminderter Regelabweichung abhängig.

Die Eigeninduktivität einer Skalenschienenmeßschleife hängt hauptsächlich von der Innenfläche der Skalenschienenmeßschleife ab. Insbesondere dann, wenn die Innenfläche einer Skalenschienenmeßschleife vermindert wird, wird die Eigeninduktivität der Skalenschienenmeßschleife ebenfalls vermindert. Wie oben erläutert wurde, wenn der Abstand, der durch eine Skalenschienenmeßschleife längs der Meßachse überspannt wird, durch andere Konstruktionsbedingungen eingeschränkt wird, vermindern sich notwendigerweise die Innenfläche und somit die Eigeninduktivität einer Skalenschienenmeßschleife wie auch die Breite der Skalenschienenleiterbahn. Um die entsprechende Leistungsfähigkeit von Skalenschienenmeßschleifen in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber des Typs mit verminderter Regelabweichung zu verbessern, sollte daher die Breite der Skalenschienenleiterbahn, die die Skalenschienenmeßschleife bildet, so gewählt werden, daß die Notwendigkeit zum Minimieren des Widerstands die Notwendigkeit zum Beibehalten einer hohen Eigeninduktivität ausgleicht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, wirkungsvolle Skalenschienenmeßschleifen zu schaffen, die bei Verwendung in Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebern des Typs mit verminderter Regelabweichung eine bessere Signalstärke und eine verbesserte Auflösung und Genauigkeit der Messungen ergeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Skalenschienenmeßschleifen für Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber nach einem der Ansprüche 1, 16 und 19. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung besitzen Skalenschienenmeßschleifen von Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebern des Typs mit verminderter Regelabweichung außerdem einen verminderten elektrischen Widerstand.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung besitzen Skalenschienenmeßschleifen von Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebern des Typs mit verminderter Regelabweichung außerdem eine verbesserte Eigeninduktivität in bezug auf ihren Widerstand.

Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal der Erfindung ermöglichen Skalenschienenmeßschleifen für Induktionsstrom- Positionsmeßwertgeber des Typs mit verminderter Regelabweichung, daß Positionsmessungen mit hoher Auflösung ausgeführt werden können. Die Skalenschienenmeßschleifen, die gemäß dieser Erfindung konstruiert sind, enthalten eine Skalenschienenleiterbahn, die auf einem elektrisch leitenden Material gebildet ist, das in einer Meßschleife angeordnet ist, die ununterbrochen ist und gegen benachbarte Skalenschienenmeßschleifen elektrisch isoliert ist. Die Form der Skalenschienenmeßschleife ist nicht beschränkt, sondern wird durch die spezielle Konfiguration des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers des Typs mit verminderter Regelabweichung, in dem die Skalenschienenmeßschleife verwendet wird, bestimmt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:
Fig. 1 eine bekannte Skalenschiene mit verminderter Regelabweichung zur Verwendung in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber;
Fig. 2 einen bekannten Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber des Typs mit verminderter Regelabweichung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer vereinfachten Ersatzschaltung eines Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers;
Fig. 4 eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Signalverstärkung und dem von der Skalenschienenimpedanz abhängigen Abschnitt des empfangenen Signals eines Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers zeigt;
Fig. 5 eine Darstellung, die Werte der Signalverstärkung in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber als eine Funktion der Dicke der Skalenschienenleiterbahn zeigt;
Fig. 6 eine Darstellung, die bei verschiedenen Betriebsfrequenzen die Signalverstärkung als eine Funktion des Quotienten aus Leiterbahnbreite und Innenlänge einer Skalenschienenmeßschleife zeigt, die auf einer Skalenschiene angeordnet ist, so daß die Mittelpunkte der Skalenschienenleiterbahn in einem erzwungenen Abstand längs der Meßachse eines Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers sind;
Fig. 7 eine erste beispielhafte Ausführungsform der Skalenschienenmeßschleife gemäß dieser Erfindung;
Fig. 8 eine zweite beispielhafte Ausführungsform der Skalenschienenmeßschleife gemäß dieser Erfindung;
Fig. 9 einen bekannten Induktionsstrom-Meßwertgeber der Absolutposition des Typs mit verminderter Regelabweichung;
Fig. 10 eine Darstellung, die die Signalverstärkung als eine Funktion des Quotienten aus Leiterbahnbreite und Innenlänge einer Skalenschienenmeßschleife, die so auf einer Skalenschiene angeordnet ist, daß sich die Skalenschienenleiterbahnen in einem beschränkten Abstand längs der Meßachse befinden, für verschiedene Skalenschienenmeßschleifen in einem Induktionsstrom-Meßwertgeber zeigt, der bei 10 MHz betrieben wird;
Fig. 11 eine Darstellung, die die Signalverstärkung als eine Funktion des Quotienten aus Leiterbahnbreite und Innenlänge einer rechtwinkligen Skalenschienenmeßschleife, die so auf einer Skalenschiene angeordnet ist, daß die Gesamtmeßschleifengröße beschränkt ist, für verschiedene Größen- und Skalenschienenkonfigurationen in einem Induktionsstrom-Meßwertgeber zeigt, der bei 10 MHz betrieben wird;
Fig. 12 eine Darstellung, die eine Größe, die sich auf das Signal bezieht, das durch rechtwinklige Meßschleifen mit verschiedenen wirksamen Kopplungsbereichen geliefert wird, als eine Funktion des Quotienten aus Leiterbahnbreite und Innenlänge einer auf einer Skalenschiene angeordneten rechtwinkligen Skalenschienenmeßschleife, derart, daß die Gesamtmeßschleifengröße beschränkt ist, zeigt;
Fig. 13 Skalenschienenmeßschleifen eines bekannten Induktionsstrom-Meßwertgebers der Absolutposition des Typs mit verminderter Regelabweichung;
Fig. 14 eine Darstellung, die eine Größe, die sich auf das Signal bezieht, das durch verschiedene rechtwinklige Meßschleifen als eine Funktion des Quotienten aus Leiterbahnbreite und Innenlänge der Meßschleife geliefert wird, die auf einer Skalenschiene angeordnet ist, derart, daß die Gesamtmeßschleifengröße beschränkt ist, zeigt; und
Fig. 15 eine Darstellung, die eine Größe, die sich auf das Signal bezieht, das durch eine mit verschiedenen festen Widerständen in Reihe geschaltete rechtwinklige Meßschleife als eine Funktion des Quotienten aus Leiterbahnbreite und Innenlänge der Meßschleife geliefert wird, die auf einer Skalenschiene angeordnet ist, derart, daß die Gesamtmeßschleifengröße beschränkt ist, zeigt.
Fig. 1 erläutert eine beispielhafte Ausführungsform einer Skalenschiene mit verminderter Regelabweichung. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthält die Skalenschiene 210 mit verminderter Regelabweichung eine erste Vielzahl von Skalenschienenmeßschleifen 212 mit geschlossenem Wirkungskreis, die mit einer zweiten Vielzahl von Skalenschienenmeßschleifen 216 mit geschlossenem Wirkungskreis verschachtelt sind.
Jede Skalenschienenmeßschleife aus der ersten Vielzahl von Skalenschienenmeßschleifen 212 enthält einen ersten Meßschleifenabschnitt 213 und einen zweiten Meßschleifenabschnitt 214, die durch ein Paar Verbindungsleitungen 215 verbunden sind. Gleichfalls enthält jede Skalenschienenmeßschleife der zweiten Vielzahl von Skalenschienenmeßschleifen 216 einen ersten Meßschleifenabschnitt 217und einen zweiten Meßschleifenabschnitt 218, die durch ein Paar Verbindungsleitungen 219 verbunden sind.
In der zweiten Vielzahl von Skalenschienenmeßschleifen 216 sind gleichfalls die ersten Meßschleifenabschnitte 217 längs einer zweiten Seitenkante der Skalenschiene 210 angeordnet und längs der Meßachse 114 gruppiert. Die zweiten Meßschleifenabschnitte 218 sind in der Mitte der Skalenschiene 210 längs der Meßachse angeordnet, wobei sie mit den zweiten Meßschleifenabschnitten 214 der Skalenschienenmeßschleifen 212 verschachtelt sind. Die Verbindungsleitungen 219 erstrecken sich im allgemeinen senkrecht zur Meßachse 114 und verbinden die ersten Meßschleifenabschnitte 217 mit den zweiten Meßschleifenabschnitten 218.
Fig. 2 erläutert eine beispielhafte Ausführungsform eines Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers 200, der die Skalenschiene 210 mit verminderter Regelabweichung enthält. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, enthält ein Lesekopf 220 des Meßwertgebers 200 eine Senderwicklung 222 mit einem ersten Senderwicklungsabschnitt 223A und einem zweiten Senderwicklungsabschnitt 223B. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist der erste Senderwicklungsabschnitt 223A an einer ersten Seitenkante des Lesekopfes 220 angeordnet, während der zweite Senderwicklungsabschnitt 223B an der anderen Seitenkante des Lesekopfes 220 angeordnet ist. Jeder der ersten und zweiten Senderwicklungsabschnitte 223A und 223B besitzt dieselbe Abmessung der langen Seite längs der Meßachse 114. Ferner besitzt jeder der ersten und zweiten Senderwicklungsabschnitte 223A und 223B dieselbe Abmessung der kurzen Seite, die sich in einem Abstand d₁ in einer Richtung senkrecht zur der Meßachse 114 erstreckt.
Die Anschlüsse 222A und 222B der Senderwicklungen 222sind an den Generator 150 des Senderansteuersignals angeschlossen. Der Generator 150 des Senderansteuersignals gibt ein zeitlich veränderliches Ansteuersignal an den Senderwicklungsanschluß 222A aus. Daher fließt ein zeitlich veränderlicher Strom durch die Senderwicklung 222 vom Senderwicklungsanschluß 222A zum Senderwicklungsanschluß 222B, wie in Fig. 2 angegeben ist.
Als Antwort darauf erzeugt der erste Senderwicklungsabschnitt 223A ein primäres Magnetfeld, das sich im Inneren des ersten Senderwicklungsabschnitts 223A aus der Ebene von Fig. 2 erhebt und außerhalb der Meßschleife, die durch den ersten Senderwicklungsabschnitt 223A gebildet ist, in die Ebene von Fig. 2 senkt. Im Gegensatz dazu erzeugt der zweite Senderwicklungsabschnitt 223B ein primäres Magnetfeld, das sich außerhalb der Meßschleife, die durch den zweiten Senderwicklungsabschnitt 223B gebildet ist, aus der Ebene von Fig. 2 erhebt und im Inneren der Meßschleife, die durch den zweiten Senderwicklungsabschnitt 223B gebildet ist, in die Ebene von Fig. 2 senkt. Als Antwort darauf wird in den Skalenschienenmeßschleifen 212 und 216 ein Strom induziert, der zum Wechsel des Magnetfelds gegenläufig ist.
Daher fließt der Induktionsstrom in jeder der Skalenschienenmeßschleifensektionen 213 und 217 in entgegengesetzter Richtung zu dem Strom, der in den jeweiligen benachbarten Abschnitten der Sendermeßschleifen 223A und 223B fließt. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, besitzen benachbarte Meßschleifenabschnitte der zweiten Meßschleifenabschnitte 214 und 218 im Mittelabschnitt der Skalenschiene Meßschleifenströme mit entgegengesetzten Polaritäten. Somit wird ein Magnetfeld erzeugt, das Feldabschnitte mit entgegengesetzter Polarität besitzt, die längs des Mittelabschnitts der Skalenschiene periodisch verteilt sind. Die Wellenlänge λ des periodischen sekundären Magnetfelds ist gleich der Strecke zwischen aufeinanderfolgenden zweiten Meßschleifenabschnitten 214 (oder 218).
Der Lesekopf 220 enthält außerdem erste und zweite Empfängerwicklungen 224 und 226. Die ersten und zweiten Empfängerwicklungen 224 und 226 sind jeweils durch mehrere sinusförmige Meßschleifensegmente 228 und 229 gebildet, die an gegenüberliegenden Seiten einer Isolationsschicht der den Lesekopf 220 bildenden gedruckten Leiterplatte ausgebildet sind. Die Meßschleifensegmente 228 und 229 sind über Durchführungen 230 verbunden, um sich abwechselnde Meßschleifen 232 mit positiver Polarität und Meßschleifen 234 mit negativer Polarität in jeder der ersten und zweiten Empfängerwicklungen 222 und 226 zu bilden. Die Empfängerwicklungen 224 und 226 sind in der Mitte des Lesekopfes 220 zwischen den ersten und zweiten Senderabschnitten 223A und 223B angeordnet. Jede der ersten und zweiten Empfängerwicklungen 224 und 226 erstreckt sich in einer Entfernung d₂ in der Richtung senkrecht zur Meßachse. Die ersten und zweiten Empfängerwicklungen 224 und 226 sind um gleiche Strecken d₃ von den inneren Abschnitten der ersten und zweiten Senderwicklungsabschnitten 223A und 223B beabstandet.
Die Meßschleifen 232 und 234 in jeder der ersten und zweiten Empfängerwicklungen 224 und 226 besitzen eine Breite von λ/2 längs der Meßachse 114. Somit besitzt jedes Paar aus benachbarten Meßschleifen 232 und 234 eine Breite von λ. Ferner durchlaufen die ersten und zweiten Meßschleifensegmente 228 und 229 in jedem Paar benachbarter Meßschleifen 232 und 234 einen vollen sinusförmigen Zyklus. Daher entspricht λ der sinusförmigen Wellenlänge, d. h. der räumlichen Periode der ersten und zweiten Empfängerwicklungen 224 und 226. Ferner ist die Empfängerwicklung 226 um λ/4 längs der Meßachse 114 gegenüber der ersten Empfängerwicklung 224 versetzt. Das heißt, die ersten und zweiten Empfängerwicklungen 224 und 226 sind um 90° phasenverschoben.
Das wechselnde Ansteuersignal vom Senderansteuergenerator 150 wird an die Senderwicklung 222 angelegt, so daß in der Senderwicklung 222 Strom von einem ersten Anschluß 222A durch die Senderwicklung 222 und aus einem zweiten Anschluß 222B heraus fließt. Daher senkt sich das Magnetfeld, das durch die Senderwicklung 222 erzeugt wird, innerhalb der Senderwicklung 222 in die Ebene von Fig. 1 und erhebt sich außerhalb der Senderwicklung 222 aus der Ebene von Fig. 1. Demzufolge erzeugt das wechselnde Magnetfeld innerhalb der Senderwicklung 222 in jeder der Meßschleifen 232 und 234, die in den Empfängerwicklungen 224 und 226 gebildet sind, eine induzierte elektromotorische Kraft (EMF).
Die Meßschleifen 232 und 234 besitzen entgegengesetzte Wicklungsrichtungen. Daher besitzt die in den Meßschleifen 232 induzierte EMF eine Polarität, die zu der Polarität der in den Meßschleifen 234 induzierten EMF entgegengesetzt ist. Die Meßschleifen 232 und 234 umschließen Bereiche mit gleichen Abmessungen und somit nominell dieselbe Menge des magnetischen Flusses. Daher ist der absolute Betrag der in jeder der Meßschleifen 232 und 234 erzeugten EMF nominell gleich.
Es gibt vorzugsweise die gleiche Anzahl von Meßschleifen 232 und 234 in jeder der ersten und zweiten Empfängerwicklungen 224 und 226. Im Idealfall wird die in den Meßschleifen 232 induzierte EMF positiver Polarität durch die in den Meßschleifen 234 induzierte EMF negativer Polarität genau kompensiert. Demzufolge ist die nominelle Gesamt-EMF an jeder der ersten und zweiten Empfängerwicklungen 224 und 226 null und es ist beabsichtigt, daß aus den ersten und zweiten Empfängerwicklungen 224 und 226als reine Folge der Direktkopplung von der Senderwicklung 222 auf die Empfängerwicklungen 224 und 226 kein Signal ausgegeben wird.
Jede Skalenschienenmeßschleife aus der ersten Vielzahl von Skalenschienenmeßschleifen 212 ist mit einem Abstand angeordnet, der gleich der Wellenlänge λ der ersten und zweiten Empfängerwicklungen 224 und 226 ist. Ferner erstrecken sich die ersten Meßschleifenabschnitte 213 jeweils längs der Meßachse 114 um eine Strecke, die so nahe wie möglich an der Wellenlänge λ liegt, wobei trotzdem die Isolationsabstände 201 zwischen benachbarten Meßschleifenabschnitten der ersten Meßschleifenabschnitte 213 vorgesehen sind. Außerdem erstrecken sich die ersten Meßschleifenabschnitte 213 um die Strecke d₁ in der Richtung senkrecht zur Meßachse 114.
Jede Skalenschienenmeßschleife aus der zweiten Vielzahl von Skalenschienenmeßschleifen 217 ist gleichfalls mit einem Abstand angeordnet, der gleich der Wellenlänge λ ist. Die ersten Meßschleifenabschnitte 217 erstrecken sich ebenfalls längs der Meßachse so nahe wie möglich beieinander über die Wellenlänge λ, wobei zwischen benachbarten Meßschleifenabschnitten der ersten Meßschleifenabschnitte 217 die Abstände 201 vorgesehen sind. Die ersten Meßschleifenabschnitte 217 erstrecken sich ebenfalls um die Strecke d₁ in der Richtung senkrecht zur Meßachse 114.
Die zweiten Meßschleifenabschnitte 214 und 218 der ersten und zweiten Vielzahlen von Skalenschienenmeßschleifen 212 und 216 sind ebenfalls mit einem Abstand angeordnet, der gleich der Wellenlänge λ ist. Jeder der Meßschleifenabschnitte 214 und 218 erstreckt sich jedoch längs der Meßachse so nahe wie möglich um lediglich die Hälfte der Wellenlänge λ. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist zwischen jedem benachbarten Paar aus zweiten Meßschleifenabschnitten 214 und 218 der ersten und zweiten Vielzahlen von Skalenschienenmeßschleifen 212 und 216 ein Isolationsabstand 202 vorgesehen. Somit sind die zweiten Meßschleifenabschnitte 214 und 218 der ersten und zweiten Vielzahlen aus Skalenschienenmeßschleifen 212 und 216 über die Länge der Skalenschiene 210 verschachtelt. Schließlich erstreckt sich jeder der zweiten Meßschleifenabschnitte 214 und 218 um die Strecke d₂ in der Richtung senkrecht zur Meßachse 114.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind die zweiten Meßschleifenabschnitte 214 und 218 um die Strecke d₃ von den entsprechenden ersten Meßschleifenabschnitten 213 und 217 beabstandet. Wenn der Lesekopf 220 in der Nähe der Skalenschiene 210 angeordnet wird, wie in Fig. 2 gezeigt ist, werden demzufolge die ersten Senderwicklungsabschnitte 223A auf die ersten Meßschleifenabschnitte 213 der ersten Vielzahl von Skalenschienenmeßschleifen 212 ausgerichtet. Die zweiten Senderwicklungsabschnitte 223B werden gleichfalls auf die ersten Meßschleifenabschnitte 217 aus der zweiten Vielzahl von Skalenschienenmeßschleifen 216 ausgerichtet. Schließlich werden die ersten und zweiten Empfängerwicklungen 224 und 226 auf die zweiten Meßschleifenabschnitte 214 und 218 der ersten und zweiten Skalenschienenmeßschleifen 212 und 216 ausgerichtet.
Im Betrieb wird ein zeitlich veränderliches Ansteuersignal vom Generator 150 des Senderansteuersignals an den Senderwicklungsanschluß 222A ausgegeben. Somit erzeugt der erste Senderwicklungsabschnitt 223A ein erstes Wechselmagnetfeld mit einer ersten Richtung, während der zweite Senderwicklungsabschnitt 223B ein zweites Magnetfeld in einer zweiten Richtung erzeugt, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Dieses zweite Magnetfeld besitzt eine Feldstärke, die gleich der Feldstärke des durch den ersten Senderwicklungsabschnitt 223A erzeugten Magnetfelds ist.
Jede Skalenschienenmeßschleife aus der ersten Vielzahl von Skalenschienenmeßschleifen 212 ist durch das vom ersten Senderwicklungsabschnitt 223A erzeugte Magnetfeld induktiv an den ersten Senderwicklungsabschnitt 223A gekoppelt. Somit fließt ein Induktionsstrom in Uhrzeigerrichtung durch jede Skalenschienenmeßschleife aus der ersten Vielzahl von Skalenschienenmeßschleifen 212. Gleichzeitig ist die zweite Vielzahl von Skalenschienenmeßschleifen 216 durch das vom zweiten Senderwicklungsabschnitt 223B erzeugte Magnetfeld induktiv an den zweiten Senderwicklungsabschnitt 223B gekoppelt. Dies induziert einen Strom in Gegenuhrzeigerrichtung, der in jeder Skalenschienenmeßschleife aus der zweiten Vielzahl von Skalenschienenmeßschleifen 216 fließt. Das heißt, die Ströme durch die zweiten Abschnitte 214 und 218 der Skalenschienenmeßschleifen 212 und 216 fließen in entgegengesetzte Richtungen.
Der in Uhrzeigerrichtung fließende Strom in jedem der zweiten Abschnitte 214 der ersten Skalenschienenmeßschleifen 212 erzeugt ein drittes Magnetfeld, das sich innerhalb der zweiten Abschnitte 214 in die Ebene von Fig. 2 senkt. Der in Gegenuhrzeigerrichtung fließende Strom in den zweiten Meßschleifenabschnitten 218 der zweiten Skalenschienenmeßschleifen 216 erzeugt dagegen ein viertes Magnetfeld, das sich innerhalb der zweiten Meßschleifenabschnitte 218 der zweiten Skalenschienenmeßschleifen 216 aus der Ebene von Fig. 2 erhebt. Somit wird längs der Meßachse 114 ein Netto-Wechselmagnetfeld gebildet. Dieses Netto-Wechselmagnetfeld besitzt eine Wellenlänge, die gleich der Wellenlänge λ der ersten und zweiten Empfängerwicklungen 224 und 226 ist.
Wenn die Meßschleifen 232 mit positiver Polarität der ersten Empfängerwicklung 224 entweder auf die zweiten Meßschleifenabschnitte 214 oder 218 ausgerichtet sind, sind folglich die Meßschleifen 234 mit negativer Polarität der ersten Empfängerwicklung 224 auf die jeweils anderen der zweiten Meßschleifenabschnitte 214 oder 218 aufgerichtet. Dies gilt ebenfalls, wenn die Meßschleifen 232 mit positiver Polarität und die Meßschleifen 234 mit negativer Polarität der zweiten Empfängerwicklung 226 auf die zweiten Meßschleifenabschnitte 214 und 218 ausgerichtet werden. Da das Wechselmagnetfeld, das durch die zweiten Meßschleifenabschnitte 214 und 218 erzeugt wird, bei derselben Wellenlänge räumlich moduliert ist wie die räumliche Modulation der ersten und zweiten Empfängerwicklungen 214 und 216, ist die in jeder der Meßschleifen 232 und 234 mit positiver und negativer Polarität bei ihrer Ausrichtung auf die zweiten Meßschleifenabschnitte 214 erzeugte EMF gleich bzw. bei ihrer Ausrichtung auf die zweiten Meßschleifenabschnitte 218 entgegengesetzt.
Somit ist der Nettoausgang der Meßschleifen 232 mit positiver Polarität, wenn sich der Lesekopf 220 relativ zur Skalenschiene 210 bewegt, eine sinusförmige Funktion der Position "x" des Lesekopfs entlang der Skalenschiene und die Versatzkomponente des Ausgangssignals infolge der äußeren Skalenschiene ist nominell null. Gleichfalls ist der Nettoausgang der Meßschleifen 234 mit negativer Polarität, wenn sich der Lesekopf 220 relativ zur Skalenschiene 210 bewegt, ebenfalls eine sinusförmige Funktion der Position "x" des Lesekopfs entlang der Skalenschiene und die Versatzkomponente des Ausgangssignals infolge der äußeren Skalenschiene ist nominell null. Die EMF-Beiträge von den Meßschleifen 232 mit positiver Polarität und den Meßschleifen 234 mit negativer Polarität sind phasengleich.
Schließlich sind die ersten und zweiten Empfängerwicklungen 224 und 226 um 90° phasenverschoben. Somit ist das Ausgangssignal, das von der ersten Empfängerwicklung 224 als eine Funktion von x erzeugt und an die Empfängersignalverarbeitungsschaltung 140 ausgegeben wird, zu dem Signal, das von der zweiten Empfängerwicklung 226 als eine Funktion von x an die Empfängersignalverarbeitungsschaltung 140 ausgegeben wird, um 90° phasenverschoben.
Die Empfängersignalverarbeitungsschaltung 140 empfängt die Adressensignale von den ersten und zweiten Empfängerwicklungen 224 und 226 und tastet diese ab, setzt diese Signale in digitale Werte um und gibt diese an die Steuereinheit 160 aus. Die Steuereinheit 160 verarbeitet diese digitalisierten Ausgangssignale, um die relative Position x zwischen dem Lesekopf 220 und der Skalenschiene 210 innerhalb einer Wellenlänge λ zu bestimmen.
Auf Grundlage des um 90° phasenverschobenen Ausgangs der ersten und zweiten Empfängerwicklungen 224 und 226 kann die Steuereinheit 160 die Richtung der relativen Bewegung zwischen dem Lesekopf 220 und der Skalenschiene 210 bestimmen. Die Steuereinheit 160 zählt die Anzahl der teilweisen oder vollständigen "inkrementalen" Wellenlängen λ, die durchfahren werden, durch Signalverarbeitungsverfahren, die einem Fachmann bekannt sind und hier und in den eingeschlossenen Literaturhinweisen offenbart sind. Die Steuereinheit 160 verwendet diese Anzahl und die relative Position innerhalb einer Wellenlänge λ, um die relative Position zwischen dem Lesekopf 220 und der Skalenschiene 210 von einem festgelegten Ursprungspunkt auszugeben.
Die Steuereinheit 160 gibt außerdem Steuersignale an den Generator 150 des Senderansteuerslgnals aus, um das zeitlich veränderliche Senderansteuersignal zu erzeugen.
Es sollte klar sein, daß jede der Signalerzeugungs- und -verarbeitungsschaltungen, die in den eingeschlossenen Referenzen gezeigt sind, verwendet werden kann, um die Empfängersignalverarbeitungsschaltung 140, den Generator 150 des Senderansteuersignals und die Steuereinheit 160 zu implementieren. Daher werden diese Schaltungen hier nicht genauer beschrieben.
Wie oben erläutert wurde, sind Präzisions-Positionsmessungen erwünscht und können durch die Verkürzung der räumlichen Periode des zeitlich veränderlichen Magnetfelds, das durch eine Skalenschiene von Induktionsstrom- Positionsmeßwertgebern erzeugt wird, und durch Vergrößerung des Störabstands erreicht werden. Der Störabstand hängt wesentlich von der Effektivität der Energieübertragung durch die Skalenschienenmeßschleifen 212 ab, die auf der Skalenschiene 210 gebildet sind. Fig. 3 ist eine vereinfachte Ersatzschaltung für einen typischen Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers des Typs mit verminderter Regelabweichung, wie etwa der Meßwertgeber 200 mit verminderter Regelabweichung, der in Fig. 2 gezeigt ist. Die Schaltung enthält eine Sendermeßschleife 310, mehrere Skalenschienenmeßschleifen 320 und eine Empfängermeßschleife 330.
Die periodische Natur des Positionsmeßwertgebers ist durch die mehreren Skalenschienenmeßschleifen 320 dargestellt, die näherungsweise die Skalenschienenmeßschleifen wiedergeben, die in einem typischen Induktionsstrom- Positionsmeßwertgeber anzutreffen sind, wie etwa die Skalenschienenmeßschleifen 232 und 234 des Positionsmeßwertgebers 200 von Fig. 2, die in einem Muster mit einer Wellenlänge λ räumlich beabstandet sind. Es sollte klar sein, daß in einem typischen Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber sowohl die Sender- als auch die Empfängermeßschleifen gleichzeitig mit mehreren Skalenschienenmeßschleifen gekoppelt sind. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, daß eine Konfiguration einer Skalenschienenmeßschleife, die das Signal für diese spezielle Skalenschienenmeßschleife maximal macht, im allgemeinen das kombinierte Signal von mehreren Skalenschienenmeßschleifen maximal macht, wenn sich die Konfiguration wiederholt. Deswegen konzentriert sich die folgende Erläuterung zur Klarheit auf die Verbesserung des Signals, das von einer einzelnen Skalenschienenmeßschleife geliefert wird.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, besitzt die Sendermeßschleife 310 eine Eigeninduktivität L_T und einen Widerstand R_T. Die Eigeninduktivität L_T stellt die Induktivität eines Abschnitts der Sendermeßschleife 310 dar, der an die Skalenschienenmeßschleife 320 gekoppelt ist. Für die Sendermeßschleife eines typischen Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers beträgt die Gesamtinduktivität etwa 10 bis 100 nH und der Widerstand R_T liegt typischerweise im Milliohm-Bereich. Im allgemeinen sind jedoch Faktoren, die diese Senderparameter bestimmen, für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht wichtig und werden hier nicht weiter erläutert. Die Empfängermeßschleife 330 besitzt gleichfalls eine Eigeninduktivität L_R und einen Widerstand R_R. Die Eigeninduktivität L_R stellt die Induktivität eines Abschnitts der Empfängermeßschleife 300 dar, die an die Skalenschienenmeßschleife 320 gekoppelt ist. Für die Empfängermeßschleife eines typischen Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers beträgt die Gesamtinduktivität etwa 10 bis 1000 nH und der Widerstand R_R liegt typischerweise im Bereich 1 bis 100 Milliohm. Im allgemeinen sind jedoch Faktoren, die diese Empfängerparameter bestimmen, für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht relevant und werden hier nicht weiter erläutert. Es ist ein Empfängerlastwiderstand R_L gezeigt, der über die Anschlüsse der Empfängerwicklung 330 geschaltet ist. Der Empfängerlastwiderstand R_L ist Teil der Meßschaltung, die V_out mißt, und ist typischerweise wesentlich größer als andere Impedanzen in der Schaltung. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen liegt der Empfängerlastwiderstand R_L im Bereich von 50 bis 500 Ohm.
Die Skalenschienenmeßschleifen 320 besitzen jeweils Eigeninduktivitäten L_S1 und L_S2 sowie einen Widerstand R_S. In der Praxis wird R_S unter praktischen Herstellungsbedingungen so weit wie möglich verkleinert. R_S kann z. B. im Bereich von 0,01 bis 1 Milliohm liegen. Die Eigeninduktivität L_S1 ist die Induktivität eines Abschnitts der Skalenschienenmeßschleifen 320, der an die Senderwicklung 310 gekoppelt ist, und die Eigeninduktivität L_S2 ist die Induktivität eines Abschnitts der Skalenschienenmeßschleifen 320, der an die Empfängerwicklung 310 gekoppelt ist. In der Praxis ist es häufig erwünscht, daß L_S1 und L_S2 etwa gleich sind, um die Übertragung von Energie von der Senderwicklung 310 auf die Empfängerwicklung 330 maximal zu machen.
Ferner kann in bekannten Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebern, wie etwa derjenige, der in Fig. 10 gezeigt und in der eingeschlossenen Anmeldung '497 beschrieben ist, bei Skalenschienenmeßschleifen mit mehreren Abschnitten jeder Skalenschienenmeßschleifenabschnitt zu verschiedenen Zeitpunkten während des Betriebs entweder mit einer Senderwicklung oder mit einer Empfängerwicklung gekoppelt sein, wobei von derselben Skalenschienenleiterbahn zwei Signale erzeugt werden, die unterschiedliche räumliche Perioden besitzen. Daher ist eine angenähert symmetrische Skalenschienenmeßschleife für den Betrieb in einer derartigen Konfiguration des induktiven Positionsmeßwertgebers vorteilhaft. Während Skalenschienenmeßschleifen mit asymmetrischer Induktivität in den Sender- und Empfängermeßschleifen in diese Erfindung eingeschlossen sind, wird daher die folgende Beschreibung durch die Annahme vereinfacht, das L_S1 und L_S2 gleich sind und daß L_S entweder gleich L_S1 oder gleich L_S2 ist.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist der erste Parameter k_T ein Faktor, der die Stärke der induktiven Kopplung zwischen der Senderwicklung und einer Skalenschienenmeßschleife angibt und unabhängig von der Position als eine Konstante betrachtet werden kann, wenn eine Skalenschienenmeßschleife betriebsfähig relativ zur Senderwicklung positioniert wird. Ein zweiter Parameter k_R ist ein Faktor, der die Stärke der induktiven Kopplung zwischen der Empfängerwicklung und einer Skalenschienenmeßschleife angibt und als eine periodische Funktion der Position betrachtet werden kann, wenn eine Skalenschienenmeßschleife betriebsfähig relativ zu der periodischen Empfängerwicklung positioniert wird.
Unter der Annahme, daß der Widerstand R_L groß gegenüber den anderen Impedanzen ist und daß der Widerstand R_T klein gegenüber den anderen Impedanzen ist, ist die Signalverstärkung der allgemeinen Schaltung von Fig. 3 gegeben durch:

wobei
V_in die am Sender erzeugte Spannung ist;
V_out die am Empfänger erfaßte Spannung ist;
k_T ein Faktor ist, der die Stärke der induktiven Kopplung zwischen der Senderwicklung und einer Skalenschienenmeßschleife angibt;
k_R ein Faktor ist, der die Stärke der induktiven Kopplung zwischen einer Skalenschienenmeßschleife und der Empfängerwicklung angibt;
L_R die Induktivität des Abschnitts der Empfängermeßschleife ist, der an eine Skalenschienenmeßschleife gekoppelt ist;
L_T die Induktivität des Abschnitts der Sendermeßschleife ist, der an eine Skalenschienenmeßschleife gekoppelt ist;
R_S der Widerstand einer Skalenschienenmeßschleife ist;
ω die Betriebsfrequenz des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers ist;
L_S1 die Eigeninduktivität des Abschnitts der Skalenschienenmeßschleife ist, der an den Sender gekoppelt ist; und
L_S2 die Eigeninduktivität des Abschnitts der Skalenschienenmeßschleife ist, der an den Empfänger gekoppelt ist.
Wird angenommen, daß L_S1 und L_S2 gleich sind und austauschbar durch L_S dargestellt werden, ist die Signalverstärkung der allgemeinen Schaltung von Fig. 3 gegeben durch:
Fig. 4 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Signalverstärkung und der Skalenschienenimpedanz (R_S ²/(ω L_S)²) erläutert, die in Gleichung 2 beschrieben ist. Bei Untersuchung von Gleichung 2 und Beobachtung von Fig. 4 sollte klar sein, daß dann, wenn andere Faktoren konstant gehalten werden, die Signalverstärkung V_out/V_in ansteigen wird, wenn sich die Größe (R_S ²/(ω L_S)²) vermindert. Um ein Ansteigen der Signalverstärkung in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber zu erreichen, sollte folglich in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Skalenschienenmeßschleifen gemäß dieser Erfindung der Widerstand der Skalenschienenmeßschleife vermindert werden, ohne die Induktivität der Skalenschienenmeßschleife zu vermindern, oder es sollte wenigstens der Widerstand stärker reduziert werden als die Induktivität der Skalenschienenmeßschleife.
Fig. 4 zeigt z. B., daß es zum Vergrößern der Signalverstärkung sehr nützlich ist, R_S ² unter den Wert von (ω L_S)² zu vermindern. Fig. 4 zeigt außerdem, daß es eine kleine zusätzliche Verbesserung der Signalverstärkung gibt, wenn R_S ² unter den Wert von 0,1.(ω L_S)² gesenkt wird. Die Informationen von Fig. 4 sind allgemein nützlich zum Auswählen einer bestimmten Beziehung zwischen dem Widerstand R_S und der Induktivität L_S bei einer bestimmten Betriebsfrequenz ω.
Wenn jedoch, wie vorher erläutert wurde, die Strecke, die durch eine Skalenschienenmeßschleife längs der Meßachse eines Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers überspannt wird, durch verschiedene Konstruktionsbedingungen beschränkt ist, muß die Innenfläche und somit die Eigeninduktivität einer Skalenschienenmeßschleife anwachsen, da die Breite der Skalenschienenleiterbahn vergrößert wird, um ihren Widerstand zu vermindern. Somit wird unter der gebührenden Berücksichtigung von verschiedenen Konstruktionseinschränkungen des induktiven Positionsmeßwertgebers in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen die Breite der Skalenleiterstreifen so gewählt, daß eine verbesserte Beziehung zwischen dem Widerstand R_S und der Induktivität L_S der Skalenschienenmeßschleifen eines Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers erreicht wird.
In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden verhältnismäßig flache leitende Skalenschienenleiterbahnen verwendet. Bei einer verhältnismäßig flachen Skalenschienenleiterbahn in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber, der bei höheren Frequenzen betrieben wird, ist allgemein bekannt oder wird angenommen, daß die Stromdichte an der Oberfläche der Skalenschienenleiterbahn am größten ist und daß die Größe der elektromagnetischen Wellen im Leiter exponentiell abnimmt, wenn der Abstand von der Oberfläche der Skalenschienenleiterbahn zunimmt. Demzufolge nimmt die Stromdichte an einer Stelle innerhalb des Leiters ebenfalls exponentiell ab, wenn der Abstand von der Oberfläche des Leiters zunimmt.
Die Eindringtiefe (δ) ist ein wohlbekanntes Maß desjenigen Abstands von der Oberfläche eines Leiters, bei dem allgemein erwartet wird, daß die Stromdichte auf einen Wert von 1/e des Werts der Stromdichte an der Oberfläche abnimmt. Die Eindringtiefe ist definiert als:

wobei:
δ die Eindingtiefe des Leiters bei der Betriebsfrequenz des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers ist;
σ die elektrische Leitfähigkeit des Leiters ist;
µ die magnetische Permeabilität des Materials ist; und
ω die Frequenz der oszillierenden Welle beschreibt.
Aus der Sicht dieser Beziehung ist die Stromdichte bei einer Gleichstrom-Frequenz (d. h. ω = 0) über den Querschnitt einer verhältnismäßig flachen Skalenschienenleiterbahn gleichförmig und ist annähernd proportional zur Dicke der Leiterbahn. Bei hohen Frequenzen jedoch ist der Großteil des Stroms auf einen Bereich begrenzt, der etwa innerhalb einer Eindringtiefe δ von der Oberfläche der Skalenschienenleiterbahn liegt, ungeachtet der Dicke der Skalenschienenleiterbahn. Der effektive Widerstand einer Skalenschienenmeßschleife, die aus einer derartigen Skalenschienenleiterbahn gebildet ist, wird nicht merklich abnehmen, wenn die Dicke der Skalenschienenleiterbahn auf mehr als die 1 bis 3fache Eindringtiefe ansteigt (d. h. δ bis 3δ). Daher besitzt in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Skalenschienenmeßschleifen gemäß dieser Erfindung eine leitfähige Skalenschienenleiterbahn, die eine erfindungsgemäße Skalenschienenmeßschleife bildet, eine Dicke von weniger als etwa 3 Eindringtiefen (3δ). In verschiedenen weiteren beispielhaften Ausführungsformen besitzt eine Skalenschienenleiterbahn, die eine erfindungsgemäße Skalenschienenmeßschleife bildet, eine Dicke, die kleiner als etwa eine Eindringtiefe (δ) ist.
Aus der Sicht von Gleichung (3) werden ferner mehrere weitere Beziehungen deutlich. Wenn eine Skalenschienenleiterbahn eine kleinere Dicke als die Eindringtiefe δ besitzt, wird der effektive Widerstand der Skalenschienenleiterbahn bei abnehmender Dicke der Skalenschienenleiterbahn wesentlich ansteigen. Wie zuvor erläutert wurde, wird dann, wenn der effektive Widerstand der Skalenschienenleiterbahn ansteigt, die Signalverstärkung im allgemeinen abnehmen. Ferner ändert sich die Eindringtiefe mit der Frequenz des elektrischen Felds, so daß sich dann, wenn die Betriebsfrequenz ansteigt, die Eindringtiefe δ vermindert.
Fig. 5 ist eine Darstellung, die Werte der Signalverstärkung in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber als eine Funktion der Dicke der Skalenschienenleiterbahn zeigt. Die Darstellung von Fig. 5 gibt an, daß dann, wenn andere Faktoren, die den Widerstand und die Induktivität einer Meßschleifenleiterbahn beeinflussen, konstant gehalten werden, eine Dicke der Skalenschienenleiterbahn von etwa einer Eindringtiefe die Signalverstärkung bei hohen Betriebsfrequenzen auf einen Wert nahe am Maximum verbessert. Die Darstellung veranschaulicht ferner, daß ein Ansteigen der Dicke der Skalenschienenleiterbahn auf etwa drei Eindringtiefen für ein Ansteigen der Signalverstärkung bei einer Betriebsfrequenz von 1 MHz vorteilhaft ist.
Fig. 5 erläutert ferner, daß bei höheren Betriebsfrequenzen betriebene Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber bei der Verwendung von Skalenschienenmeßschleifen mit Dicken der Skalenschienenleiterbahn von nur etwa 0,3 Eindringtiefen ermöglichen, daß etwa 80% des maximal möglichen Signals zurückgehalten werden. Ferner ergibt sich keine Signalverbesserung aus der Vergrößerung der Dicke der Meßschleifenleiterbahn über einen Wert von etwa einer Eindingtiefe hinaus. Der Erfinder nimmt an, daß diese unerwarteten Ergebnisse infolge der speziellen Anordnung von Leitern in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber Hochfrequenzfelder verursachen, die gemäß dem oben erläuterten einfachen Verständnis nicht einfach modelliert oder verstanden werden können.
Bei der Herstellung von Skalenschienenmeßschleifenleiterbahnen z. B. durch Dünnfilmtechniken oder herkömmliche Techniken gedruckter Leiterplatten ist es im allgemeinen teurer und/oder weniger genau, dickere Leiterbahnen herzustellen. Daher enthält in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Skalenschienenmeßschleifen gemäß dieser Erfindung die Skalenschienenmeßschleife eine Skalenschienenleiterbahn mit einer kleineren Dicke als etwa die einfache Eindringtiefe. In verschiedenen weiteren Ausführungsformen enthalten die Skalenschienenmeßschleifen der vorliegenden Erfindung Skalenschienenleiterbahnen mit einer Dicke zwischen etwa 0,3 Eindringtiefen und etwa der einfachen Eindringtiefe.
Zum Beispiel beträgt bei 10 MHz, einer typischen Betriebsfrequenz für einen Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber mit verminderter Regelabweichung, die Eindringtiefe von Kupfer, einem typischen Material, das zum Bilden der Skalenschienenmeßschleifen verwendet wird, etwa 0,02 mm. Aus den obenbeschriebenen Gründen wird sich die Menge des Kupfers in einer Kupferleiterbahn nicht wesentlich ändern, wenn die Leiterbahn eine Dicke aufweist, die die Eindringtiefe von Kupfer bei der Betriebsfrequenz des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers mit verminderter Regelabweichung übersteigt. Auf Grundlage der Beziehungen, die in Fig. 5 beschrieben wurden, ist es zur Verbesserung des Widerstands einer Skalenschienenmeßschleife nicht sehr wirkungsvoll, die Skalenschienenleiterbahn bei einer Dicke zu bilden, die wesentlich größer ist als etwa die Eindringtiefe des Materials der Skalenschienenleiterbahn in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber des Typs mit verminderter Regelabweichung, der bei 10 MHz betrieben wird. Somit wird in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber des Typs mit verminderter Regelabweichung, der bei 10 MHz betrieben wird, eine erfindungsgemäße Skalenschienenmeßschleife aus einer Kupfer-Skalenschienenmeßschleife gebildet, die einen flachen rechtwinkligen Querschnitt und eine Dicke von etwa 0,02 mm besitzt. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist die Skalenschienenmeßschleife dieser Erfindung aus einer Kupfer-Skalenschienenleiterbahn gebildet, die eine Dicke zwischen etwa 0,02 mm und etwa 0,006 mm besitzt.
Wie in Fig. 5 erläutert wird, wird sich bei höheren Betriebsfrequenzen der effektive Widerstand einer Skalenschienenmeßschleife nicht merklich vermindern, wenn die Dicke der Skalenschienenleiterbahn über ein Wert von etwa der einfachen Eindringtiefe ansteigt. In diesem Fall ist es erwünscht, die Breite der Skalenschienenleiterbahn zu vergrößern, um den Widerstand der Skalenschienenleiterbahn weiter zu vermindern, wie später beschrieben wird.
Wie oben angegeben wurde, ist die Strecke, die durch eine Skalenschienenmeßschleife längs der Meßachse überspannt wird, im allgemeinen gemäß verschiedener Konstruktionseinschränkungen des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers beschränkt, wie etwa die räumliche Periode oder Wellenlänge des Meßwertgebers. Wenn die Breite einer Skalenschienenleiterbahn vergrößert wird, um dadurch ihren Widerstand zu vermindern, werden sich somit die verfügbare Innenfläche und die zugehörige Eigeninduktivität der Skalenschienenmeßschleife entsprechend verkleinern. Wie oben erläutert wurde, hat jedoch eine verminderte Gegeninduktivität zwischen den Elementen des Meßwertgebers eine unerwünschte Verminderung der Signalverstärkung zur Folge. Um sich diesem unerwünschten Effekt zu widmen, haben die Erfinder eine bedeutende Beziehung zwischen der Breite einer Skalenschienenleiterbahn und der Innenlänge längs der Meßachse des Bereichs, der durch die Skalenschienenmeßschleife eingeschlossen ist, entdeckt, wenn die Abmessungen der Skalenschienenmeßschleife längs der Meßachse durch Konstruktionsforderungen beschränkt werden.
Ein bekannter Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber, der periodisch angeordnete Skalenschienenmeßschleifen verwendet, um Sender- und Empfängerwicklungen zu koppeln, die separate Bereiche an einem Lesekopf belegen, ist durch das "digital Absolute Coolant Proof Caliper", Code Nr. 500-652, Modell-Nr. CD-6"GS" von Mitutoyo America Corporation, Aurora, Illinois kommerziell verfügbar. Im Unterschied zu den Quotienten aus Leiterbahnbreite und Innenlänge des Skalenschienenmeßschleife, die oben erläutert wurden, sollte klar sein, daß die vergleichbaren Quotienten (bzw. der Quotient), die bei dem Meßwertgeber des obigen Meßtasters verwendet werden, in der Größenordnung von 0,1 bis 0,13 liegen. Es sollte ferner angemerkt werden, daß diese Quotienten bei der Konstruktion und Herstellung solcher Vorrichtungen wiederholt verwendet wurden. Fachmänner haben keine Notwendigkeit erkannt, Quotienten aus der Leiterbahnbreite und Innenlänge in den Skalenschienenmeßschleifen, die in vergleichbaren induktiven Positionsmeßwertgebern verwendet werden, zu vergrößern oder in anderer Weise speziell auszuwählen.
Fig. 6 ist eine Darstellung, die die Signalverstärkung als eine Funktion des Quotienten aus der Leiterbahnbreite und der Innenlänge einer Skalenschienenmeßschleife zeigt, die auf einer Skalenschiene angeordnet ist, so daß sich die Mittelpunkte der Skalenschienenleiterbahnen in einem beschränkten Abstand längs der Meßachse eines Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers beim Betrieb bei verschiedenen Frequenzen befinden. Die in Fig. 6 gezeigte Darstellung basiert auf dem simulierten Betrieb einer beispielhaften Skalenschienenmeßschleife in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber bei verschiedenen Betriebsfrequenzen. Die Kurven der Signalverstärkung von Fig. 6 sind für eine rechtwinklige Skalenschienenmeßschleife ähnlich zu denen, die in Fig. 7 gezeigt sind, bei denen die Breite aller Skalenschienenleiterbahnsegmente gleich ist. Unter Verwendung der unten in Fig. 7 beschriebenen Symbole ist die in Fig. 6 gezeigte horizontale Achse der Quotient aus der Breite der Skalenschienenleiterbahn und der Innenlänge der Skalenschienenmeßschleife oder w_x/l_x. Bei der Simulation, die ausgeführt wurde, um die in Fig. 6 gezeigten Daten zu gewinnen, wurde die Abmessung C_x der Skalenschienenmeßschleife längs der Meßachse auf 1 mm beschränkt, während die Abmessung C_y quer zur Meßachse auf 3 mm beschränkt wurde. Ferner waren die Abmessungen d_t, d_c und d_b etwa gleich, so daß die in Fig. 6 gezeigte Signalverstärkung etwa einem Drittel der Fläche der Skalenschienenmeßschleife, die über einem Bereich der Senderwicklung an einem Ende der Skalenschienenmeßschleife liegt, etwa einem Drittel der Fläche der Skalenschienenmeßschleife, die über einem Bereich der Senderwicklung am anderen Ende der Skalenschienenmeßschleife liegt, und etwa dem mittleren Drittel der Fläche der Skalenschienenmeßschleife, das lediglich als Verbindungsabschnitt der Meßschleife wirkt, entspricht.
Der Erfinder hat ermittelt, daß bei solchen Meßschleifen, die längs der Meßachse im allgemeinen schmaler sind als quer zur Meßachse der Leiterbahnbreitenquotient w_x/l_x, der etwa der maximalen Signalverstärkung entspricht, keine starke Abhängigkeit von der speziellen Gesamtabmessung einer Skalenschienenmeßschleife längs der Maßachse besteht. Deswegen sind die Ergebnisse von Fig. 6 allgemein nützlich bei der Auswahl des Leiterbahnbreitenquotienten w_x/l_x von etwa ähnlichen Skalenschienenmeßschleifen, die in einem induktiven Positionsmeßwertgeber eine beschränkte Abmessung C_x besitzen, wie oben beschrieben wurde.
Die Darstellung von Fig. 6 erläutert, daß es dann, wenn andere Faktoren, die den Widerstand und die Induktivität einer Meßschleifenleiterbahn beeinflussen, konstant gehalten werden, sehr wirkungsvoll ist, den Leiterbahnbreitenquotienten w_x/l_x der Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung C_x besitzen, bei allen gezeigten Betriebsfrequenzen bis auf wenigstens etwa 0,25 zu vergrößern. Bei Frequenzen über 5 MHz erreichen Skalenschienenmeßschleifen mit einem derartigen vergrößerten Leiterbahnbreitenquotienten eine Signalverstärkung, die wenigstens 80% der maximal möglichen Signalverstärkung beträgt. Bei Frequenzen unter 5 MHz sind größere Quotienten, wie beispielsweise etwa 0,45 erwünscht, um wenigstens 80% der maximal möglichen Signalverstärkung zu erreichen. Ferner verbessert ein Leiterbahnbreitenquotient im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 1, 1 die Signalverstärkung bis nahe an einen maximalen Wert bei allen Frequenzen von 1 MHz bis wenigstens 50 MHz. Die Darstellung veranschaulicht ferner, daß der Anstieg des Leiterbahnbreitenquotienten über einen Bereich von größer als 1,1 bis zu wenigstens etwa 2,0 bei der Betriebsfrequenz von 1 MHz keine wesentliche Auswirkung auf die Signalverstärkung sowie bei höheren Frequenzen eine verhältnismäßig geringe negative Auswirkung besitzt.
Daher enthalten verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Skalenschienenmeßschleifen gemäß dieser Erfindung Skalenschienenmeßschleifen mit einer beschränkten Abmessung C_x, besitzen Leiterbahnbreitenquotienten, die größer als etwa 0,25 sind, besitzen Leiterbahnbreitenquotienten, die größer als etwa 0,45 sind oder besitzen Leiterbahnbreitenquotienten, die größer als etwa 0,6 sind. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen enthalten Skalenschienenmeßschleifen gemäß dieser Erfindung Skalenschienenmeßschleifen, die Leiterbahnbreitenquotienten zwischen etwa 0,4 und etwa 2,0 oder zwischen etwa 0,4 und etwa 1,1 besitzen.
Diese Leiterbahnbreitenquotienten wurden nicht erwartet, da die eingeschlossene Meßschleifenfläche und die zugehörige Eigeninduktivität offensichtlich bedeutend vermindert werden, wenn der Leiterbahnbreitenquotient ansteigt und die Bedeutung dieser Verminderung in bezug auf den Widerstand der Skalenschienenleiterbahn im Vergleich zur Eigeninduktivität ist auf dem Gebiet der Konstruktion von induktiven Positionsmeßwertgebern nicht erkannt worden. Es sollte klar sein, daß selbst der kleinste der oben genannten Quotienten etwa doppelt so groß ist wie die vergleichbaren Quotienten, die bekannte Meßwertgeber, einschließlich der oben bezeichnete kommerziell verfügbare Meßtaster besitzen.
Fig. 7 erläutert eine erste beispielhafte Ausführungsform einer Skalenschienenmeßschleife 700 gemäß dieser Erfindung. Fig. 7 und die folgende Beschreibung definieren ferner die Abmessungen der Skalenschienenmeßschleife, die mit den in der gesamten Anwendung verwendeten Symbole verbunden sind. In bezug auf die folgende Erläuterung der Fig. 7 und 8 sollte klar sein, daß alle Abmessungen der Skalenschienenmeßschleifen mit einem "x" im unteren Index Abmessungen parallel zur Meßachse 114 bezeichnen und alle Abmessungen der Skalenschienenmeßschleifen mit einem "y" im unteren Index Abmessungen quer zur Meßachse 114 bezeichnen.
Die Skalenschienenmeßschleife 700 ist durch eine Skalenschienenleiterbahn 710 gebildet, die Skalenschienenleiterbahnsegmente 711 bis 714 aufweist, die jeweils eine Dicke t besitzen (nicht gezeigt). Die Skalenschienenleiterbahnsegmente 711, 712, 713 und 714 weisen die Dicken w_x, w_x, w_yt bzw. w_yb auf. Wenn die Breiten der Leiterbahnsegmente 711 und 712 auf einen gleichen Wert gebracht werden, wird im allgemeinen die Genauigkeit des zugehörigen Positionsmeßwertgebers verbessert. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen sind die Breiten der Segmente 713 und 714 nicht gleich und werden separat festgelegt, da diese Segmente 713 und 714 mit separaten Elementen am Lesekopf gekoppelt sind. In verschiedenen anderen Ausführungsformen sind die Breiten aller Leiterbahnsegmente etwa gleich.
Die Bereichsbegrenzungen 731 und 733 bezeichnen die Begrenzung eines Sender- und/oder Empfängerbereichs 735, der sich parallel zu Meßachse 114 erstreckt, und entsprechen den nominellen Begrenzungen eines Sender- und/oder Empfängerbereichs am Lesekopf des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers. Gleichfalls bezeichnen die Bereichsbegrenzungen 732 und 734 die Begrenzung eines Sender- und/oder Empfängerbereichs 736, der sich parallel zu Meßachse 114 erstreckt, und entsprechen den nominellen Begrenzungen eines Sender- und/oder Empfängerbereichs am Lesekopf des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers. Die Bereiche 735 und 736 können z. B. den Bereichen des ersten Senderwicklungsabschnitts 223A bzw. dem Bereich der Empfängerwicklungen 224 und/oder 226 entsprechen, die in Fig. 2 gezeigt sind. In diesem Fall entsprechen die in der Fig. 7 gezeigten Abmessungen d_t, d_b und d_c den in der Fig. 2 gezeigten Abmessungen d₁, d₂ bzw. d₃.
Die Mitten der Leiterbahnsegmente 713 und 714 sind um eine Abmessung C_y beabstandet und ihre äußeren Kanten sind um eine Abmessung E_y beabstandet. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist die Summe der Abmessungen (d_t + d_b + d_c) gleich der Abmessung C_y und fällt mit dieser zusammen und die Abmessungen r_t und r_b sind gleich. In verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungsformen werden diese Abmessungen gemäß verschiedenen Betrachtungen zur Ausrichtung von Lesekopf und Skalenschiene, die nicht im Umfang dieser Erfindung liegen, unabhängig festgelegt.
Die Skalenschienenmeßschleife 700 besitzt eine Innenfläche 720, die Kopplungsabschnitte 721 und 722 der Innenfläche sowie einen Verbindungsabschnitt 723 der Innenfläche aufweist. Die Innenfläche besitzt die Gesamtabmessungen l_x und l_y und die Gesamtinnenfläche A_int der Skalenschienenmeßschleife 700 beträgt A_int = (l_x.l_y). Die Gesamtinnenfläche A_int enthält den Kopplungsabschnitt 721, der über dem Sender- und/oder Empfängerbereich 735 liegt und eine Fläche A_t besitzt, den Kopplungsabschnitt 722, der über dem Sender- und/oder Empfängerbereich 736 liegt und eine Fläche A_b besitzt, und den restlichen Verbindungsabschnitt 723 mit einer Fläche A_c.
Die Mitten der Leiterbahnsegmente 711 und 712 sind durch eine Abmessung C_x getrennt und ihre äußeren Kanten sind durch eine Abmessung E_x getrennt. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist entweder die Abmessung C_x oder die Abmessung E_x gemäß den Gesamteinschränkungen der Meßwertgeber- und Skalenkonstruktion beschränkt und der Leiterbahnbreitenquotient w_x/l_x wird dadurch bestimmt, welche Abmessung eingeschränkt ist. Die beispielhaften Leiterbahnbreitenquotienten, die z. B. unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert wurden, betreffen eine Leiterbahn, bei der die Abmessung C_x beschränkt ist. Derartige Beschränkungen und ihre zugehörigen Quotienten werden später genauer beschrieben.
Fig. 8 erläutert eine zweite beispielhafte Ausführungsform einer Skalenschienenmeßschleife gemäß dieser Erfindung. Fig. 8 und die folgende Beschreibung definieren ferner die Abmessungen der Skalenschienenmeßschleifen, die den in der gesamten Anmeldung verwendeten Symbolen zugehörig sind. Bezugszeichen und Symbole, die in den Fig. 7 und 8 gleich sind, entsprechen ähnlichen oder gleichen Elementen, deswegen wird ihre Beschreibung in bezug auf Fig. 8 nicht wiederholt.
Die Skalenschienenmeßschleife 800 ist durch eine Skalenschienenleiterbahn 810 gebildet, die Skalenschienenleiterbahnsegmente 811 bis 819 aufweist, die jeweils eine Dicke t besitzen (nicht gezeigt). Die Skalenschienenleiterbahnsegmente 811, 812, 813 und 814 weisen die Dicken w_xb, w_xb, w_yb bzw. w_yb auf. Wenn die Breiten der Leiterbahnsegmente 811 und 812 auf einen gleichen Wert gebracht werden, wird im allgemeinen die Genauigkeit des zugehörigen Positionsmeßwertgebers verbessert. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen sind die Breiten der Segmente 813 und 814 ebenfalls auf einem gleichen Wert, da sie mit demselben Element am Lesekopf koppeln. In verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungsformen sind die Breiten aller Leiterbahnsegmente 811 bis 814 auf einem gleichen Wert.
Die Skalenschienenleiterbahnsegmente 815, 186, 817 und 818 weisen die Breiten w_xt, w_xt, w_yt bzw. w_yt auf. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen sind die Breiten der Leiterbahnsegmente 815 und 816 etwa gleich, um die Genauigkeit eines Positionsmeßwertgebers, der eine derartige Skalenschienenmeßschleife verwendet, zu verbessern. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen sind die Breiten der Leiterbahnsegmente 817 und 818 ebenfalls etwa gleich, da diese Segmente 817 und 818 mit demselben Element am Lesekopf koppeln. In verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungsformen wurden die Breiten aller Leiterbahnsegmente 815 bis 818 auf etwa denselben Wert gebracht.
Die Skalenschienenleiterbahnsegmente 819A und 819B sind Verbindungssegmente der Skalenschienenmeßschleife 800. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen sind die Segmente 819A und 819B wenigstens so breit wie das breiteste der Segmente 811 bis 818. Die Segmente 819A und 819B können um eine Abmessung n_x beabstandet sein, die im allgemeinen so klein ist wie sie praktisch hergestellt werden kann. Wenn diese Abmessung verhältnismäßig klein ist, ist das sekundäre Magnetfeld, das durch die Skalenschienenmeßschleife 800 erzeugt wird, verhältnismäßig stärker.
Die Mitten der Skalenschienenleiterbahnsegmente 813 und 814 sind um eine Abmessung C_yb beabstandet und ihre äußeren Kanten sind um eine Abmessung E_yb getrennt. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist die Abmessung d_b gleich der Abmessung C_y und fällt mit dieser zusammen. Gleichfalls können die Mitten der Leiterbahnsegmente 817 und 818 um eine Abmessung C_yt beabstandet sein und ihre äußeren Kanten sind um eine Abmessung E_yt getrennt. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist die Abmessung d_t gleich der Abmessung C_yt und fällt mit dieser zusammen. Jede dieser Abmessungen kann jedoch alternativ gemäß verschiedener Beschränkungen der Lesekopf- und Skalenschienenausrichtung, die nicht im Umfang dieser Erfindung liegen, unabhängig festgelegt werden.
Ähnlich wie die Skalenschienenmeßschleife 700 besitzt die Skalenschienenmeßschleife 800 eine Innenfläche 820 mit Kopplungsabschnitten 821 und 822 der Innenfläche und einem Verbindungsabschnitt 823 der Innenfläche. Die Gesamtinnenfläche A_int der Innenfläche 820 enthält den Kopplungsabschnitt, der über dem Sender- und/oder Empfängerbereich 735 liegt und eine Fläche A_t besitzt, den Kopplungsabschnitt 822, der über dem der Sender- und/oder Empfängerbereich 736 liegt und eine Fläche A_b besitzt, und den restlichen Verbindungsabschnitt 723 mit einer Fläche A_c. Der Kopplungsabschnitt 821 der Innenfläche weist die nominellen Abmessungen l_xt und l_yt auf und der Kopplungsabschnitt 821 der Innenfläche weist die nominellen Abmessungen l_xb und l_yb auf. Die Gesamtinnenfläche A_int der Skalenschienenmeßschleife 800 beträgt A_int = (A_t + A_b + A_c).
Die Mitten der Leiterbahnsegmente 811 und 812 sind um eine Abmessung C_xb getrennt und ihre äußeren Kanten sind um eine Abmessung E_xb getrennt. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist entweder die Abmessung C_xb oder die Abmessung E_xb gemäß den Gesamtbeschränkungen der Meßwertgeber- und Skalenkonstruktion beschränkt und der Leiterbahnbreitenquotient w_xb/l_xb wird danach festgelegt, welche Abmessung beschränkt ist. Gleichfalls sind die Mitten der Leiterbahnsegmente 815 und 816 um eine Abmessung C_xt getrennt und ihre äußeren Kanten sind um eine Abmessung E_xt getrennt. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist entweder die Abmessung C_xt oder die Abmessung E_xt gemäß den Gesamtbeschränkungen der Meßwertgeber- und Skalenkonstruktion beschränkt und der Leiterbahnbreitenquotient w_xt/l_xt wird danach festgelegt, welche Abmessung beschränkt ist. Solche Beschränkungen und ihre zugehörigen Quotienten werden später genauer beschrieben.
Somit sollte für die Skalenschienenmeßschleife 800 klar sein, daß die Kopplungsabschnitte 821 und 822 der Innenfläche und ihre entsprechenden umgebenden Meßschleifenleiterbahnen im allgemeinen unterschiedliche Abmessungen, unterschiedliche Leiterbahnbreiten und unterschiedliche Leiterbahnbreitenquotienten aufweisen können. Es sollte ferner klar sein, daß in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen die Bereiche 735 und 736 Lesekopfelementen und Skalenschienenleiterbahnen mit unterschiedlichen Perioden der Skalenschiene entsprechen. Somit können die Kopplungsabschnitte 821 und 822 der Innenfläche und ihre entsprechenden umgebenden Meßschleifenleiterbahnen in einer Richtung parallel zur Meßachse 114 in einer Weise zueinander versetzt sein, die in Fig. 8 nicht gezeigt ist, sondern z. B. durch die in Fig. 9 gezeigten Kopplungsmeßschleifen 636 erläutert wird.
Die Dicke t der beispielhaften Meßschleifen 700 und 800 für verhältnismäßig flache Leiterbahnen wird als die Strecke zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der verhältnismäßig flachen Skalenschienenleiterbahnen 710 und 810 in der Richtung, die im allgemeinen parallel zum auftreffenden Magnetfeld eines typischen Induktionsstrom- Positionsmeßwertgebers verläuft, definiert und wird in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen so festgelegt, wie oben in der Erläuterung in bezug auf Fig. 5 beschrieben wurde.
Verhältnismäßig flache Skalenschienenleiterbahnen können auf einem geeigneten Substrat unter Verwendung herkömmlicher Herstellungstechnologien gedruckter Leiterplatten, herkömmlicher Herstellungstechnologien für Dünnfilmschaltungen oder durch weitere geeignete Herstellungsprozesse gebildet werden. Das Substrat kann ein Material sein, das eine geringere elektrische Leitfähigkeit besitzt als das Material, das die Meßschleifenleiterbahnen 710 oder 810 bildet, oder kann ein Isolator sein. Das Substrat kann mechanische Eigenschaften besitzen, die in geeigneter Weise bei der Konfiguration des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers des Typs mit verminderter Regelabweichung, in dem die Skalenschienenmeßschleife 700 oder 800 verwendet wird, verwendet werden können.
In verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungsformen der Skalenschienenmeßschleifen gemäß dieser Erfindung kann die Querschnittfläche der Skalenschienenleiterbahn ein Kreis oder eine Ellipse sein, wie etwa dann, wenn die Skalenschienenmeßschleife aus Draht gebildet wird. In diesen Fällen wird die Skalenschienenleiterbahn trotzdem durch die verschiedenen C_**-und/oder E_**-Abmessungen, die zuvor erläutert wurden, gekennzeichnet und/oder beschränkt. Somit können die Abmessungen der Innenfläche anfangs abgeschätzt werden. Unter Verwendung eines Quotienten, der basierend auf den Systemen und Verfahren gemäß dieser Erfindung ausgewählt wird, geben die geschätzten Abmessungen der Innenfläche eine entsprechende Leiterbahnbreite an. Um eine nicht flache Skalenschienenleiterbahn mit einem Querschnitt, der verhältnismäßig dick im Vergleich zu seiner Breite ist, gemäß den Prinzipien dieser Erfindung zu bemessen, sollte der Umfang des Querschnitts der nicht flachen Skalenschienenleiterbahn auf einen Wert gebracht werden, der gleich dem Doppelten der Leiterbahnbreite ist, die durch den gemäß dieser Erfindung gewählten Quotienten angegeben wird. Nachdem anfangs Form und Umfang der nicht flachen Skalenschienenleiterbahn gewählt wurden, kann die Innenfläche genauer abgeschätzt werden und die Form und der Umfang der nicht flachen Skalenschienenleiterbahn können gemäß dem gewählten Quotienten weiter verfeinert werden.
Es sollte klar sein, daß die Skalenschienenmeßschleife 700 oder 800 in jeder Form gebildet werden kann, die durch die Konfiguration des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers des Typs mit verminderter Regelabweichung bestimmt wird, in dem die Skalenschienenmeßschleife 700 oder 800 verwendet wird. Die Skalenschienenmeßschleifen der Fig. 7 und 8 veranschaulichen zwei der vielen Formen, die die Skalenschienenmeßschleifen gemäß dieser Erfindung annehmen können, damit sie in verschiedenen Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebern des Typs mit verminderter Regelabweichung verwendet werden können.
Wie zuvor festgestellt wurde, sind in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen die geeigneten Abmessungen von den Abmessungen C_x, E_x, C_xb, E_xb, C_xt und E_xt gemäß den Gesamteinschränkungen der Meßwertgeber- und Skalenkonstruktion beschränkt und die entsprechenden Leiterbahnbreitenquotienten von den Quotienten w_x/l_x, w_xb/l_xb und w_xt/l_xt werden danach festgelegt, welche Abmessung beschränkt ist.
Fig. 9 ist ein bekannter Induktionsstrom-Meßwertgeber der Absolutposition des Typs mit verminderter Regelabweichung, der der Fig. 8 der hier eingeschlossenen Anmeldung '497 entspricht und darin beschrieben ist. Es sollte klar sein, daß die Empfängerwicklungen 614, 616 und 618 von Fig. 9 periodisch sind und entsprechende räumliche Perioden oder Wellenlängen besitzen. Die Abmessungen der Skalenschienenmeßschleifenabschnitte, die über diesen verschiedenen Empfängerwicklungen liegen, müssen ihren jeweiligen räumlichen Perioden entsprechen. Insbesondere sollte die räumliche Periode des sekundären Magnetfelds, das durch Abschnitte der Skalenschienenmeßschleifen erzeugt wird, die längs der Meßachse ausgerichtet sind, im Idealfall genau die gleiche räumliche Periode besitzen wie die räumliche Periode einer beliebigen Wicklung, über der sie liegt.
Es sollte angemerkt werden, daß in Fig. 9 die Skalenschienenmeßschleifenabschnitte 634, 628 und 640, die längs der Skalenschienenleiterbahnen über den Empfängerwicklungen 614, 616 und 618 liegen und den Abmessungen d₂₄, d₂₆ bzw. d₂₈ entsprechen, längs der Meßachse nicht eng beabstandet sind. Das periodische sekundäre Magnetfeld, das durch die Skalenschienenmeßschleifenabschnitte 634, 628 und 640 erzeugt wird, wird die Polarität genau am Mittelpunkt jedes Skalenschienenleiterbahnelements, das quer zur Meßachse 144 ausgerichtet ist, wechseln. Es ist erwünscht, daß das sekundäre Magnetfeld die Polarität räumlich periodisch bei einem genauen Abstand von λ/2 wechselt, damit es mit den darunter liegenden periodischen Empfängerwicklungen bei einer gewünschten räumlichen Periode oder Wellenlänge übereinstimmt. Es ist demzufolge für eine derartige Skalenschienenleiterbahn erwünscht, daß jeder Skalenschienenmeßschleifenabschnitt so beschränkt ist, daß er einen Mittenabstand der Skalenschienenleiterbahn längs der Meßachse aufweist, der λ/2 beträgt. Allgemeiner ausgedrückt ist für derartige Skalenschienenleiterbahnen die anwendbare Abmessung C_x, C_xt und/oder C_xb so beschränkt, daß sie λ/2 beträgt, damit sie mit den darunter liegenden periodischen Empfängerwicklungen bei einer gewünschten räumlichen Periode oder Wellenlänge übereinstimmt.
Die beispielhaften Leiterbahnbreitenquotienten für eine Gruppe von Fällen, bei denen die Abmessung C_x beschränkt ist, sind zuvor in bezug auf Fig. 6 erläutert worden. Fig. 10 zeigt außerdem Ergebnisse, die für eine Gruppe von Fällen erreicht wurden, bei denen die Abmessung C_x beschränkt ist.
Fig. 10 ist eine Darstellung, die die Signalverstärkung als eine Funktion des Quotienten aus der Leiterbahnbreite und der Innenlänge einer Skalenschienenmeßschleife zeigt, die auf einer Skalenschiene so angeordnet ist, daß die Skalenschienenleiterbahnen in einem beschränkten Abstand längs der Meßachse sind, für verschiedene Skalenschienenmeßschleifen in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber, der bei 10 MHz betrieben wird. Unter Verwendung von Symbolen, die in bezug auf Fig. 7 beschrieben wurden, ist die in Fig. 10 gezeigte horizontale Achse der Leiterbahnbreitenquotient w_x/l_x. Die Ergebnisse, die in den Kurven 1001 und 1002 dargestellt sind, gelten für eine beispielhafte rechtwinklige Skalenschienenmeßschleife, wie etwa jene, die in Fig. 7 gezeigt ist, wobei die Abmessung C_x der Skalenschienenmeßschleife längs der Meßachse auf 2,0 mm beschränkt ist und die Abmessung C_y quer zur Meßachse auf 6,0 mm beschränkt ist. Bei den Ergebnissen der Kurve 1002 ist der Spalt zwischen dem Lesekopf und der Skalenschiene des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers in bezug auf den Spalt, der bei allen anderen Ergebnissen verwendet wurde, verdoppelt worden. Daher ist die maximale Signalverstärkung, die durch die Kurve 1002 gezeigt ist, im Vergleich zu den Ergebnissen der Kurve 1001 stark vermindert.
Die in der Kurve 1003 angezeigten Ergebnisse gelten für eine beispielhafte rechtwinklige Skalenschienenmeßschleife, wie die in Fig. 7 gezeigte, wobei die Abmessung C_x der Skalenschienenmeßschleifen längs der Meßachse auf 1,0 mm beschränkt ist und die Abmessung C_y quer zur Meßachse auf 3,0 mm beschränkt ist.
Die Ergebnisse der Kurve 1004 gelten für eine beispielhafte "I-förmige" Skalenschienenmeßschleife, wie die in Fig. 8 gezeigte, wobei die Abmessungen C_xt und C_xb der Skalenschienenmeßschleife längs der Meßachse auf 1,0 mm beschränkt sind und die Abmessung C_y quer zur Meßachse auf 3,0 mm beschränkt ist. Es sollte klar sein, daß der schmalere Mittelabschnitt einer im allgemeinen I-förmigen Skalenschienenmeßschleife nicht dafür vorgesehen ist, einen induktiven Kopplungsbereich beim Betrieb eines Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers zu schaffen, wenn er nicht zufällig an eine Sendermeßschleife oder eine Empfängermeßschleife gekoppelt ist, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Deswegen werden die Abmessungen des Mittelabschnitts nicht genau betrachtet und die Leiterbahnbreitenquotienten, die an der x-Achse für die Ergebnisse der Kurve 1004 gezeigt sind, gelten für die verhältnismäßig breiteren Endabschnitte der I-förmigen Skalenschienenmeßschleife, d. h. für w_xb/l_xb und w_xt/l_xt, die in diesem Fall gleich sind und deswegen in der folgenden Erläuterung von Fig. 10 nicht von w_x/l_x unterschieden werden müssen.
Für jede der Kurven 1001 bis 1004 sind die Abmessungen d_t, d_c und d_b etwa gleich, d. h. die in Fig. 10 gezeigte Signalverstärkung entspricht etwa einem Drittel der Fläche der Skalenschienenmeßschleife, die über einem Senderwicklungsbereich an einem Ende der Skalenschienenmeßschleife liegt, etwa einem Drittel der Fläche der Skalenschienenmeßschleife, die über einem Empfängerwicklungsbereich am anderen Ende der Skalenschienenmeßschleife liegt, und etwa dem mittleren Drittel der Fläche der Skalenschienenmeßschleife, die lediglich als ein Verbindungsabschnitt der Meßschleife wirkt.
Der Erfinder hat entdeckt, daß bei solchen Meßschleifen, die im allgemeinen längs der Meßachse schmaler sind als quer zur Meßachse, keine starke Abhängigkeit des Skalenschienenleiterbahnbreitenquotienten, der etwa der maximalen Signalverstärkung entspricht, von der speziellen Gesamtabmessung einer Skalenschienenmeßschleife längs der Meßachse vorhanden ist. Daher sind die Ergebnisse von Fig. 10 im allgemeinen nützlich für die Wahl der Meßschleifenleiterbahnbreitenquotienten w_x/l_x von etwa ähnlichen Skalenschienenmeßschleifen mit einer beschränkten Abmessung C_x in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber, wie später beschrieben wird.
Es sollte klar sein, daß die Kurven 1001 bis 1004 trotz der veränderten Simulationsbedingungen eine maximale Signalverstärkung bei sehr ähnlichen Werten des Leiterbahnbreitenquotienten w_x/l_x zeigen. Die Darstellung von Fig. 10 veranschaulicht, daß es dann, wenn weitere Faktoren, die den Widerstand und die Induktivität einer Skalenschienenmeßschleife beeinflussen, konstant gehalten werden, sehr wirkungsvoll ist, den Leiterbahnbreitenquotienten w_x/l_x von Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung C_x besitzen, auf wenigstens etwa 2,0 zu erhöhen. Bei einer Betriebsfrequenz von 10 MHz wird dadurch eine Signalverstärkung erreicht, die näherungsweise 80 bis 90% der maximal möglichen Signalverstärkung beträgt. Ferner verbessert ein Leiterbahnbreitenquotient zwischen etwa 0,4 und etwa 1,1 die Signalverstärkung bis nahe an einen maximalen Wert. Die Darstellung veranschaulicht ferner, daß das Ansteigen des Leiterbahnbreitenquotienten über einen Bereich von mehr als etwa 1,1 bis zu wenigstens etwa 2,0 das Signal nicht auf weniger als 80% des maximalen Werts abschwächt.
Daher enthalten verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Skalenschienenmeßschleifen gemäß dieser Erfindung Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung C_x aufweisen, mit einem größeren Leiterbahnbreitenquotienten w_x/l_x als etwa 0,2. Verschiedene andere beispielhafte Ausführungsformen enthalten Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung C_x aufweisen, mit einem größeren Leiterbahnbreitenquotienten w_x/l_x als etwa 0,4. Bei weiteren beispielhaften Ausführungsformen enthalten die Skalenschienenmeßschleifen gemäß dieser Erfindung solche Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung C_x aufweisen, mit einem Leiterbahnbreitenquotienten zwischen etwa 0,4 und etwa 2,0. Weitere beispielhafte Ausführungsformen enthalten Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung C_x aufweisen, mit einem Leiterbahnbreitenquotienten zwischen etwa 0,4 und etwa 1,1.
Diese Leiterbahnbreitenquotienten wurden nicht erwartet, da sich der eingeschlossene Meßschleifenbereich und die zugehörige Eigeninduktivität offensichtlich bedeutend vermindern, wenn der Leiterbahnbreitenquotient ansteigt und die Bedeutung des Meßschleifenleiterbahnwiderstands auf dem Gebiet der Konstruktion von induktiven Positionsmeßwertgebern nicht erkannt wurde. Es sollte klar sein, daß sogar der kleinste der obengenannten Quotienten etwa 50% größer ist als der vergleichbare Quotient, den der Meßwertwandler des Standes der Technik des oben bezeichneten kommerziellen Meßtasters besitzt.
Fig. 10 zeigt in sehr ähnlicher Weise dieselbe Beziehung zwischen dem Leiterbahnbreitenquotienten und der Signalverstärkung an, die zuvor in bezug auf Fig. 6 für rechtwinklige Skalenschienenmeßschleifen beschrieben wurde. Bei der I-förmigen Skalenschienenmeßschleife mit ähnlichen oberen und unteren Abschnitten ist jedoch gemäß der Kurve 1004 ersichtlich, daß die wirksamen und optimalen Leiterbahnbreitenquotienten um etwa 25 bis 30% vermindert sind im Vergleich mit den günstigen Quotienten, die in bezug auf rechtwinklige Skalenschienenmeßschleifen entdeckt wurden.
Demzufolge enthalten verschiedene beispielhafte Ausführungsformen von Skalenschienenmeßschleifen gemäß dieser Erfindung I-förmige Skalenschienenmeßschleifen, die beschränkte Abmessungen C_xb oder C_xt aufweisen, mit Leiterbahnbreitenquotienten entweder für ihre oberen oder unteren Abschnitte, die größer als etwa 0,3 sind. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen sind I-förmige Skalenschienenmeßschleifen, die beschränkte Abmessungen C_xb oder C_xt aufweisen, mit Leiterbahnbreitenquotienten zwischen etwa 0,3 und etwa 1,1 enthalten. Weitere beispielhafte Ausführungsformen enthalten I-förmige Skalenschienenmeßschleifen, die beschränkte Abmessungen C_xb oder C_xt aufweisen, mit Leiterbahnbreitenquotienten zwischen etwa 0,3 und etwa 0,8.
In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Skalenschienenmeßschleifen gemäß dieser Erfindung ist eine der anwendbaren Abmessungen E_x, E_xt oder E_xb beschränkt. Dieser Typ der Beschränkung wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert. Gleichfalls wie bei der vorherigen Beschränkungserläuterung sollte klar sein, daß die Empfängerwicklungen 224 und 226 von Fig. 2 periodisch sind und entsprechende räumliche Perioden oder Wellenlängen besitzen. Die Abmessungen der Skalenschienenmeßschleifenabschnitte, die über diesen Empfängerwicklungen liegen, müssen ihren jeweiligen räumlichen Perioden entsprechen. Insbesondere sollte die räumliche Periode der sekundären Magnetfelder, die durch Skalenschienenmeßschleifenabschnitte erzeugt werden, die längs der Meßachse ausgerichtet sind, im Idealfall genau dieselbe sein wie die räumliche Periode jeder Wicklung, über der sie liegen.
Es sollte angemerkt werden, daß in Fig. 2 die Skalenschienenmeßschleifenabschnitte 214 und 218 längs einer Skalenschienenleiterbahn, die über den Empfängerwicklungen liegt und der Abmessung d₂ entspricht, im Unterschied zur vorherigen Beschränkungserläuterung in bezug auf Fig. 9 eng beabstandet sind und der Strom in den eng beabstandeten Leitern in derselben Richtung fließt. Dementsprechend wird das periodische sekundäre Magnetfeld, das durch die Skalenschienenmeßschleifenabschnitte 214 und 218 erzeugt wird, die Polarität genau am Mittelpunkt zwischen den eng beabstandeten Leitern der benachbarten Meßschleifenabschnitte 214 und 218 ändern. Es ist erwünscht, daß dieses Feld die Polarität räumlich periodisch bei einem präzisen Abstand von λ/2 wechselt, damit es mit den darunterliegenden periodischen Empfängerwicklungen bei einer gewünschten räumlichen Periode oder Wellenlänge übereinstimmt. Für eine solche Skalenschienenleiterbahn sollte demzufolge jeder Skalenschienenmeßschleifenabschnitt 214 oder 218 so beschränkt sein, daß er eine äußere Abmessung längs der Meßachse besitzt, die nicht größer als λ/2 ist. Allgemeiner ausgedrückt, bei solchen Skalenschienenleiterbahnen ist die verwendbare Abmessung E_x, E_xt oder E_xb so beschränkt, daß sie kleiner als λ/2 ist, damit sie mit den darunter liegenden periodischen Empfängerwicklungen bei einer gewünschten räumlichen Periode oder Wellenlänge übereinstimmt. Die Beschränkung kann außerdem so gewählt sein, daß benachbarte Skalenschienenmeßschleifen mit einem isolierenden Raum zwischen ihnen hergestellt werden können.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Abschnitte 212 der Skalenschienenmeßschleife längs einer Skalenschienenleiterbahn, die über dem Senderwicklungsbereich 223A liegt und der Abmessung d₁ entspricht, ebenfalls eng beabstandet. Da keine darunterliegende Wicklung mit einer periodischen Struktur vorhanden ist, sind die Meßschleifenabschnitte 212 einfach deswegen eng beabstandet, damit sie so groß wie möglich sind, um möglichst stark an die Senderwicklung zu koppeln. Es ist im allgemeinen günstig, wenn jeder Meßschleifenabschnitt die gleiche Größe besitzt, deswegen ist für derartige Skalenschienenleiterbahnen die anwendbare äußere Abmessung E_x, E_xt oder E_xb so beschränkt, daß sie kleiner als λ ist. Die Beschränkung kann zusätzlich zu gewählt werden, daß benachbarte Leiter mit einem isolierenden Abstand zwischen ihnen hergestellt werden können.
Fig. 11 ist eine Darstellung, die die Signalverstärkung als eine Funktion des Quotienten der Skalenschienenleiterbahnbreite einer rechtwinkligen Skalenschienenmeßschleife zeigt, wobei die Gesamtmeßschleifengröße E_x längs der Meßachse beschränkt ist und die Abmessung E_y längs der Richtung quer zur Meßachse beschränkt ist bei geringen Änderungen der Größen- und Skalenschienenkonfiguration gemäß dem simulierten Betrieb in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber, der bei 10 MHz betrieben wird.
Die Signalverstärkungskurven von Fig. 11 gelten für eine rechtwinklige Skalenschienenmeßschleife, die der in der Fig. 7 gezeigten ähnlich ist, bei der die Breite aller Skalenschienenleiterbahnsegmente gleich ist. Unter Verwendung von Symbolen, die unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben wurden, ist die in Fig. 11 gezeigte horizontale Achse der Leiterbahnbreitenquotient w_x/l_x. Die Abmessung E_x der Skalenschienenmeßschleife längs der Meßachse ist für die Ergebnisse, die durch die Kurven 1101 und 1103 veranschaulicht werden, auf 0,95 mm und für die Ergebnisse, die durch die Kurve 1102 veranschaulicht werden, auf 0,90 mm beschränkt. Ferner wurde die Skalenschienenmeßschleife für die in den Kurven 1101 und 1102 gezeigten Ergebnissen in einer Umgebung mit eng beabstandeten benachbarten Meßschleifen simuliert. Für die in der Kurve 1103 gezeigten Ergebnisse wurde die Skalenschienenmeßschleife im isolierten Zustand simuliert.
Für jede der Kurven 1101 bis 1103 ist die Abmessung E_y quer zur Meßachse auf 3 mm beschränkt. Ferner sind die Abmessungen d_t, d_c und d_b so hergestellt, daß sie etwa gleich sind, d. h. die in Fig. 11 gezeigte Signalverstärkung entspricht etwa einem Drittel der Fläche der Skalenschienenmeßschleife, die über einem Senderwicklungsbereich an einem Ende der Skalenschienenmeßschleife liegt, etwa einem Drittel der Fläche der Skalenschienenmeßschleife, die über einem Empfängerwicklungsbereich am anderen Ende der Skalenschienenmeßschleife liegt, und etwa dem mittleren Drittel der Fläche der Skalenschienenmeßschleife, die lediglich als ein Verbindungsabschnitt der Meßschleife wirkt.
Der Erfinder hat entdeckt, daß bei solchen Meßschleifen, die längs der Meßachse im allgemeinen schmaler sind als quer zur Meßachse, keine starke Abhängigkeit des Skalenschienenleiterbahnquotienten w_x/l_x, der etwa der maximalen Signalverstärkung entspricht, von den speziellen Gesamtabmessungen einer Skalenschienenmeßschleife längs der Meßachse vorhanden ist. Deswegen sind die Ergebnisse von Fig. 11 im allgemeinen nützlich für die Auswahl des Skalenschienenleiterbahnbreitenquotienten w_x/l_x von etwa ähnlichen Skalenschienenmeßschleifen, die in einem induktiven Positionsmeßwertgeber eine beschränkte Abmessung E_x aufweisen, wie später beschrieben wird.
Es sollte klar sein, daß die Kurven 1101 bis 1103 trotz der veränderten Simulationsbedingungen eine maximale Signalverstärkung bei sehr ähnlichen Werten des Skalenschienenleiterbahnbreitenquotienten w_x/l_x zeigen. Die Darstellung in Fig. 11 veranschaulicht, daß es dann, wenn weitere Faktoren, die den Widerstand und die Induktivität einer Meßschleifenleiterbahn beeinflussen, konstant gehalten werden, sehr wirkungsvoll ist, den Leiterbahnbreitenquotienten w_x/l_x von Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung E_x aufweisen, bis auf wenigstens etwa 0,2 zu erhöhen. Bei einer Betriebsfrequenz von 10 MHz wird dadurch eine Signalverstärkung erreicht, die etwa 95% der maximal möglichen Signalverstärkung beträgt. Ferner verbessert ein Leiterbahnbreitenquotient von etwa 0,25 bis etwa 0,6 die Signalverstärkung bis nahe an einen maximalen Wert. Die Darstellung veranschaulicht ferner, daß das Ansteigen des Leiterbahnbreitenquotienten über einen Bereich von mehr als 0,6 bis auf wenigstens etwa 0,9 das Signal auf nicht weniger als 80% des maximalen Werts abschwächt. Somit enthalten verschiedene beispielhafte Ausführungsformen dieser Erfindung Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung E_x besitzen, mit einem Leiterbahnbreitenquotienten, der größer als etwa 0,2 ist. Verschiedene andere beispielhafte Ausführungsformen enthalten Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung E_x besitzen, mit Leiterbahnbreitenquotienten zwischen etwa 0,25 und etwa 0,9. Weitere beispielhafte Ausführungsformen enthalten Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung E_x besitzen und Leiterbahnbreitenquotienten zwischen etwa 0,25 und etwa 0,6 aufweisen.
Diese Leiterbahnbreitenquotienten wurden nicht erwartet, da die Meßschleifenfläche und die zugehörige Eigeninduktivität offensichtlich wesentlich vermindert werden, wenn sich der Leiterbahnbreitenquotient vergrößert und die Bedeutung des Widerstands der Skalenschienenleiterbahn im Vergleich zur Eigeninduktivität auf dem Gebiet der Konstruktion von induktiven Positionsmeßwertgeber nicht erkannt wurde. Es sollte klar sein, daß selbst der kleinste der oben genannten Quotienten wenigstens 50% größer ist als vergleichbare Quotienten, die Meßwertgeber des Standes der Technik aufweisen, wie etwa der oben bezeichnete kommerziell verfügbare Meßtaster.
Alle zuvor beschriebenen beispielhaften Leiterbahnbreitenquotienten wurden für Konfigurationen der Skalenschienenmeßschleifen festgelegt, wobei die Abmessungen d_t, d_c und d_b so hergestellt wurden, daß sie etwa gleich sind, d. h. etwa ein Drittel der Fläche der Skalenschienenmeßschleife liegt über einem Senderwicklungsbereich an einem Ende der Skalenschienenmeßschleife, etwa ein Drittel der Fläche der Skalenschienenmeßschleife liegt über einem Empfängerwicklungsbereich an dem anderen Ende der Skalenschienenmeßschleife und etwa das mittlere Drittel der Fläche der Skalenschienenmeßschleife wirkt lediglich als ein Verbindungsabschnitt der Meßschleife. Für Konfigurationen der Skalenschienenmeßschleifen, bei denen die Abmessung d_c verhältnismäßig kleiner oder größer in bezug auf die Abmessungen d_t und d_b hergestellt ist, ist es vorteilhaft, den zuvor erläuterten beispielhaften Leiterbahnbreitenquotienten gemäß der folgenden Erläuterung unter Bezugnahme auf Fig. 12 einzustellen.
Fig. 12 ist eine Darstellung, die eine Größe, die sich auf das durch eine rechtwinklige Meßschleife gelieferte Signal bezieht, als eine Funktion des Skalenschienenleiterbahnbreitenquotienten der Meßschleife zeigt, wenn die Gesamtschleifengröße in bezug auf Änderungen im wirksamen Kopplungsbereich der Meßschleife beschränkt ist.
Die Kurven von Fig. 12 gelten für eine rechtwinklige Skalenschienenmeßschleife, die der Skalenschienenmeßschleife ähnlich ist, die in Fig. 7 gezeigt ist, wobei die Breite aller Skalenschienenleiterbahnsegmente gleich ist. Die das Signal betreffende Größe, die längs der y- Achse gezeichnet wird, ist einem Produkt aus der Betriebsfrequenz ω des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers, der die Skalenschienenmeßschleife enthält, und der effektiven Induktivität L_effder Skalenschienenmeßschleife, dividiert durch den Eigenwiderstand der Skalenschienenmeßschleife, proportional. Die effektive Induktivität L_eff ist die Eigeninduktivität der Skalenschienenmeßschleife, die dem Anteil der Meßschleife entspricht, von dem angenommen wird, daß er nicht über einem Senderbereich oder einem Empfängerbereich liegt oder mit diesen gekoppelt ist. Das heißt, die Eigeninduktivität wird um einen Betrag vermindert, der der proportionalen Fläche der Meßschleife gemäß der Abmessung d_c entspricht.
Unter Verwendung von Symbolen, die in bezug auf Fig. 7 definiert wurden, ist die in Fig. 11 gezeigte horizontale Achse der Leiterbahnbreitenquotient w_x/l_x. Für jede dieser Kurven 1201 bis 1203 ist die Abmessung E_x längs der Meßachse auf 2 mm beschränkt und die Abmessung E_y quer zur Meßachse ist auf 4 mm beschränkt.
Die Ergebnisse der Kurve 1201 entsprechen einem Fall, wenn d_c null ist, was einem Senderwicklungsbereich und einem Empfängerwicklungsbereich entspricht, die unmittelbar nebeneinander liegen. Daher ist für die Ergebnisse der Kurve 1201 L_eff gleich der Eigeninduktivität der Meßschleife. Die Ergebnisse der Kurve 1202 entsprechen einem Fall, bei dem die Abmessungen so hergestellt sind, daß sie gleich sind. Daher entsprechen die Ergebnisse der Kurve 1202 einer Konfiguration, die derjenigen ähnlich ist, die den Ergebnisse von Fig. 11 zugrunde liegt. Es sollte klar sein, daß die Leiterbahnbreitenquotienten, die den Spitzen-Signalverstärkungen in den Kurven von Fig. 11 entsprechen, dem Leiterbahnbreitenquotienten, der dem Spitzenwert der Kurve 1202 entspricht, sehr ähnlich sind.
Die Ergebnisse der Kurve 1202 entsprechen einem Fall, bei dem die Abmessungen d_t und d_b halb so groß sind wie die Abmessung d_c, d. h. die Ergebnisse entsprechen einem Fall, bei dem etwa ein Viertel der Fläche der Skalenschienenmeßschleife über einem Senderwicklungsbereich an einem Ende der Skalenschienenmeßschleife liegt, etwa ein Viertel der Fläche der Skalenschienenmeßschleife über einem Empfängerwicklungsbereich am anderen Ende der Skalenschienenmeßschleife liegt und etwa die mittlere Hälfte der Fläche der Skalenschienenmeßschleife lediglich als Verbindungsabschnitt der Meßschleife wirkt. Die Kurven 1201, 1202 und 1203 zeigen maximale Werte bei Leiterbahnbreitenquotienten von etwa 0,65, etwa 0,4 bzw. etwa 0,28.
Daher werden in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Skalenschienenmeßschleifen gemäß dieser Erfindung dann, wenn die Abmessung d_c des Verbindungsabschnitts einer Skalenschienenmeßschleife in bezug auf die Abmessungen d_t und d_b des Kopplungsabschnitts der Skalenschienenmeßschleife kleiner wird, die zuvor festgestellten beispielhaften Leiterbahnbreitenquotienten vorteilhaft um bis zu 65% ihrer festgestellten Werte vergrößert. In verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungsformen werden dann, wenn die Abmessung d_c des Verbindungsabschnitts einer Skalenschienenmeßschleife in bezug auf die Abmessungen d_t und d_b des Kopplungsabschnitts der Skalenschienenmeßschleife größer wird, die zuvor festgestellten beispielhaften Leiterbahnbreitenquotienten vorteilhaft um bis zu 30% ihrer festgestellten Werte vermindert.
Alle zuvor erläuterten beispielhaften Leiterbahnbreitenquotienten wurden für Konfigurationen der Skalenschienenmeßschleife ermittelt, bei denen die Breiten aller Skalenschienenmeßschleifensegmente so hergestellt wurden, daß sie gleich sind. Es ist jedoch häufig vorteilhaft, Konfigurationen der Skalenschienenmeßschleife zu verwenden, bei denen für verschiedene Skalenschienenmeßschleifensegmente unterschiedliche Breiten verwendet werden. In diesen Fällen ist es angebracht, die zuvor erläuterten beispielhaften Leiterbahnbreitenquotienten gemäß der folgenden Erläuterung unter Bezugnahme auf die Fig. 13 bis 15 einzustellen oder zu vergrößern.
Fig. 13 ist eine Zeichnung, die sich der Konfiguration der Skalenschienenmeßschleife eines Abschnitts der Skalenschiene des bekannten Meßwertgebers, der im kommerziell verfügbaren Meßtaster verwendet wird, eng annähert. Bei einer typischen Skalenschienenmeßschleife 1300 sind verschiedene Elemente so bezeichnet, daß sie der obigen Erläuterung von Fig. 8 entsprechen. Die folgende Erläuterung zeigt einige beispielhafte Möglichkeiten zur Verbesserung der Skalenschienenmeßschleife 1300 gemäß dieser Erfindung.
Für die Zwecke dieser Erläuterung enthält ein Kopplungsabschnitt 1301 der Skalenschienenmeßschleife den Kopplungsabschnitt 821 und die ihn umgebenden Leiterbahnsegmente 815 bis 818. Gleichfalls enthält ein Kopplungsabschnitt 1302 der Skalenschienenmeßschleife den Kopplungsabschnitt 822 und die ihn umgebenden Leiterbahnsegmente 811 bis 814. Ein Verbindungsabschnitt 1303 der Skalenschienenmeßschleife enthält den Verbindungsabschnitt 820 und die ihn umgebenden Leiterbahnsegmente 819A und 819B. Wenn für verschiedene Leiterbahnsegmente verschiedene Leiterbahnbreiten verwendet werden, wird die separate Verbesserung der Abschnitte einer Skalenschienenmeßschleife, die den Abschnitten 1301 bis 1303 der Skalenschienenmeßschleife 1300 entsprechen, dazu führen, den Gesamtwirkungsgrad der Signalkopplung dieser Skalenschienenmeßschleife zu verbessern. Demzufolge können die Kopplungsabschnitte 1301 und 1302 in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung vorteilhaft als separate Meßschleifen optimiert werden. Die Optimierung separater Meßschleifen wird unter Bezugnahme auf Fig. 14 erläutert.
Fig. 14 ist eine Darstellung, die eine Größe, die sich auf das von mehreren rechtwinkligen Meßschleifen gelieferte Signal bezieht, als eine Funktion des Leiterbahnbreitenquotienten der Meßschleife zeigt, wenn die Gesamtmeßschleifengröße beschränkt ist. Die Kurven von Fig. 14 gelten für eine rechtwinklige Meßschleife, bei der die Breiten aller Meßschleifenleiterbahnsegmente gleich sind. Die Größe, die sich auf das Signal bezieht, das längs der y-Achse bezeichnet ist, ist dem Produkt aus Betriebsfrequenz ω des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers und der Eigeninduktivität L der Skalenschienenmeßschleife, das durch den Eigenwiderstand R der Skalenschienenmeßschleife dividiert wird, proportional.
Die in Fig. 14 gezeigte horizontale Achse ist der Skalenschienenleiterbahnbreitenquotient aus der Leiterbahnbreite w und der schmaleren Innenabmessung der Meßschleife l_narrow (d. h. w/l_narrow). Für jede der Kurven 1401 bis 1403 ist die schmale Gesamtabmessung E_narrow auf 2 mm beschränkt.
Die Ergebnisse der Kurve 1401 entsprechen einem Fall, bei dem die größere Gesamtabmessung des Kopplungsabschnitts E_long der Skalenschienenmeßschleife auf 6 mm beschränkt ist. Die Ergebnisse der Kurve 1402 entsprechen einem Fall, bei dem die größere Gesamtabmessung des Kopplungsabschnitts E_long der Skalenschienenmeßschleife auf 4 mm beschränkt ist. Daher sind die Ergebnisse der Kurve 1402 dieselben Ergebnisse wie die der Kurve 1201 von Fig. 12. Die Ergebnisse der Kurve 1403 entsprechen einem Fall, bei dem die größere Gesamtabmessung des Kopplungsabschnitts E_long der Skalenschienenmeßschleife auf 2 mm beschränkt ist. Der Erfinder hat festgestellt, daß bei einer Gruppe von Meßschleifen, die etwa denselben Quotienten E_long/E_narrow besitzen, keine starke Abhängigkeit des Leiterbahnbreitenquotienten w/l_narrow der Meßschleife, der etwa der maximalen Signalverstärkung entspricht, von den speziellen Gesamtabmessungen einer Skalenschienenmeßschleife vorhanden ist. Deswegen sind die Ergebnisse von Fig. 14 im allgemeinen nützlich für das Auswählen des Skalenschienenleiterbahnbreitenquotienten w/l_narrow ähnlicher Kopplungsabschnitte von Meßschleifen mit einer beschränkten Abmessung E_long und/oder E_narrow in einem Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber, wie später beschrieben wird.
Die Darstellung in Fig. 14 veranschaulicht, daß es dann, wenn weitere Faktoren, die den Widerstand und die Induktivität einer Meßschleifenleiterbahn beeinflussen, konstant gehalten werden, sehr wirkungsvoll ist, den Leiterbahnbreitenquotienten w/l_narrow von Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung E_narrow besitzen, für alle gezeigten Konfigurationen auf wenigstens etwa 0,2 zu vergrößern. Bei einer Betriebsfrequenz von 10 MHz entspricht das einem Signalkopplungsvermögen, das etwa 80 bis 90% des maximal möglichen Signalkopplungsvermögens beträgt. Bei etwa quadratischen Konfigurationen ermöglicht das ein Signalkopplungsvermögen, das etwa 90% des maximal möglichen Signalkopplungsvermögens beträgt. Für mehr längliche Konfigurationen sind größere Quotienten wie etwa 0,3 erforderlich, um wenigstens 90% des maximal möglichen Signalkopplungsvermögens zu erreichen.
Ferner verbessern Leiterbahnbreitenquotienten im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,7 das Signalkopplungsvermögen bis nahe an einen maximalen Wert für mehr quadratische Konfigurationen und Leiterbahnbreitenquotienten im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 1,5 verbessern das Signalkopplungsvermögen bis nahe an einen maximalen Wert für mehr längliche Konfigurationen. Die Darstellung veranschaulicht ferner, daß bei mehr länglichen Konfigurationen eine Vergrößerung der Leiterbahnbreitenquotienten über einen Bereich von mehr als etwa 1,5 bis zu etwa 2,0 das Signalkopplungsvermögen nicht mehr als auf 80% des maximalen Werts verschlechtert.
Somit enthalten verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Skalenschienenmeßschleifen gemäß dieser Erfindung Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung E_narrow besitzen, mit Leiterbahnbreitenquotienten w/l_narrow, die größer als etwa 0,2 sind. Verschiedene andere beispielhafte Ausführungsformen enthalten Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung E_narrow besitzen, mit Leiterbahnbreitenquotienten, die größer als etwa 0,3 sind. Weitere beispielhafte Ausführungsformen enthalten Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung E_narrow besitzen, mit Leiterbahnbreitenquotienten, die zwischen etwa 0,3 und etwa 2,0 liegen. Weitere beispielhafte Ausführungsformen enthalten Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung E_narrow besitzen, Leiterbahnbreitenquotienten, die zwischen etwa 0,3 und etwa 1,5 liegen, sowie Skalenschienenmeßschleifen, die eine beschränkte Abmessung E_narrow besitzen, Leiterbahnbreitenquotienten, die zwischen etwa 0,3 und etwa 0,7 liegen.
Diese Leiterbahnbreitenquotienten wurden nicht erwartet, da die eingeschlossene Meßschleifenfläche und die zugehörige Eigeninduktivität offensichtlich bedeutend vermindert werden, wenn sich der Leiterbahnbreitenquotient vergrößert, und die Bedeutung für den Widerstand der Skalenschienenmeßschleifen im Vergleich zur Eigeninduktivität auf dem Gebiet der Konstruktion von Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebern nicht erkannt wurde. Es sollte klar sein, daß selbst der kleinste der obigen Quotienten wenigstens 50% größer ist als der vergleichbare Quotient, den der bekannte Meßwertgeber des oben bezeichneten kommerziellen Meßtasters besitzt.
Es sollte ferner klar sein, daß die Kurven 1401, 1402 und 1403 maximale Werte bei Werten des Leiterbahnbreitenquotienten von etwa 0,75, 0,6 bzw. 0,4 zeigen. Daher sollten gemäß den in Fig. 14 gezeigten Ergebnissen mehr quadratische Meßschleifen verhältnismäßig kleinere Leiterbahnbreitenquotienten aufweisen und mehr längliche Meßschleifen sollten verhältnismäßig größere Leiterbahnbreitenquotienten besitzen. Daher müssen in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung die Breiten der Meßschleifenleiterbahnen der Kopplungsabschnitte der Skalenschienenmeßschleifen ähnlich zu den Kopplungsabschnitten 1301 und 1302 der Skalenschienenmeßschleifen nicht gleich sein. Statt dessen wird in Abhängigkeit von den mehreren weiteren Konstruktionsbeschränkungen, die die Form jedes entsprechenden Kopplungsabschnitts der Skalenschienenmeßschleife beeinflussen, der Leiterbahnbreitenquotient für einen Kopplungsabschnitt der Skalenschienenmeßschleife gemäß den beispielhaften Leiterbahnbreitenquotienten und der zugehörigen obigen Erläuterung in bezug auf Fig. 14 gewählt.
Es sollte außerdem klar sein, daß die Breiten verschiedener Skalenschienenleiterbahnsegmente innerhalb eines Kopplungsabschnitts der Skalenschienenmeßschleife nicht gleich sein müssen oder daß ein spezielles Leiterbahnsegment eine gleichförmige Breite aufweisen kann. Um das Signalkopplungsvermögen einer Meßschleife zu erhöhen, ist es im allgemeinen sehr nützlich, den Skalenschienenmeßschleifenwiderstand R in bezug auf die Größe, die die Meßschleifeninduktivität enthält (w L), zu vermindern. Wie zuvor erläutert wurde, wenn eine Abmessung, die durch eine Skalenschienenmeßschleife überspannt wird, gemäß verschiedenen Konstruktionseinschränkungen des Meßwertgebers beschränkt ist, vermindern sich die Innenfläche und die zugehörige Eigeninduktivität einer Skalenschienenmeßschleife, wenn die Breite der Meßschleifenleiterbahn vergrößert wird, um den Widerstand der Skalenschienenmeßschleife zu reduzieren.
In diesen Fällen werden vorteilhaft die zuvor erläuterten Leiterbahnbreitenquotienten angewendet. Wenn jedoch ein Schritt unternommen werden kann, um den Widerstand R der Skalenschienenmeßschleifen zu reduzieren, ohne die Größe, die die Meßschleifeninduktivität enthält (w L), zu beeinflussen, ist dieser Schritt im allgemeinen vorteilhaft, ungeachtet der auf andere Weise festgelegten Leiterbahnbreitenquotienten. Bis zu dem Umfang wie jedes Meßschleifenleiterbahnsegment der Meßschleife in der Breite vergrößert werden kann, um seinen Widerstand zu vermindern, ohne eine entsprechende Verminderung an einer Abmessung der inneren Kopplungsfläche der Meßschleife vorzunehmen, ist diese größere Breite vorteilhaft.
Im allgemeinen kann bei jedem Leiterbahnsegment einer Skalenschienenmeßschleife oder jedem Abschnitt eines Meßschleifenleiterbahnsegment außerhalb der Begrenzungen eines ein Magnetfeld erzeugenden Bereichs und eines ein Magnetfeld erfassenden Bereichs die Breite vergrößert werden, so lange wie die Genauigkeit des erwarteten räumlich periodischen Signals vom Meßwertgeber nicht nachteilig beeinflußt wird. Zum Beispiel können beim Fehlen von Beschränkungen der Abmessungen E_y, E_yn oder E_yt die Abschnitte der Leiterbahnsegmente 817 und 818, die außerhalb der Begrenzungen 731 und 733 des Sender- und/oder Empfängerbereichs 735 liegen, und die Abschnitte der Leiterbahnsegmente 813 und 814, die außerhalb der Begrenzungen 732 und 734 des Sender- und/oder Empfängerbereichs 736 liegen, in der Breite über die beispielhaften Leiterbahnbreitenquotienten hinaus vergrößert werden, wie zuvor erläutert wurde.
Die Vergrößerung der Meßschleifenleiterbahnbreiten der Leiterbahnsegmente 819A und 819B des Verbindungsabschnitts 1303 ist besonders nützlich, da sie in vielen praktischen Anwendungen einen bedeutenden Abschnitt der gesamten Skalenschienenmeßschleifenlänge umfassen und somit zum Gesamtwiderstand R der Skalenschienenmeßschleife wesentlich beitragen. Da die Breite der Leiterbahnsegmente 819A und 819B im allgemeinen keinen Einfluß auf die Innenfläche des Kopplungsabschnitts der Skalenschienenmeßschleife besitzt, ist deren Breite im allgemeinen lediglich durch andere Herstellungs- oder Konstruktionseinschränkungen beschränkt. Entsprechende Einschränkungen werden unter Bezugnahme auf Fig. 15 erläutert.
Fig. 15 ist eine Darstellung, die eine Größe, die sich auf das durch eine rechtwinklige Meßschleife erzeugte Signal bezieht, als eine Funktion des Leiterbahnbreitenquotienten der Meßschleife zeigt, wobei die Gesamtmeßschleifenabmessung beschränkt ist, bei Änderungen eines festen Widerstands, der mit der Meßschleife in Reihe geschaltet ist. Die Kurven von Fig. 15 gelten für eine rechtwinklige Meßschleife, wobei die Breiten aller Skalenschienenleiterbahnsegmente gleich sind. Die Größe, die sich auf das Signal bezieht, das längs der x-Achse gezeichnet ist, ist dem Produkt aus der Betriebsfrequenz ω und der Eigeninduktivität L der Skalenschienenmeßschleife, dividiert durch die Summe aus dem Widerstand R der Skalenschienenmeßschleife und einem festen Widerstand R_fixed proportional.
Insbesondere für die Zwecke dieser Erläuterung wird der Widerstand der Leiterbahnsegmente 819A und 819B als fester Widerstand R_fixed betrachtet, der außerhalb der Skalenschienenmeßschleife liegt, die einem Kopplungsabschnitt der Skalenschienenmeßschleife entspricht und einen Widerstand R besitzt. Die in Fig. 15 gezeigte horizontale Achse ist der Skalenschienenleiterbahnbreitenquotient aus der Breite w und der schmaleren Innenabmessung l_narrow (d. h. w/l_narrow). Für jede der Kurven 1501 bis 1503 ist die schmale Gesamtabmessung E_narrow der Meßschleife auf 2 mm beschränkt und die längere Gesamtabmessung E_long ist auf 4 mm beschränkt.
Die Ergebnisse der Kurve 1501 entsprechen dem festen Widerstand R_fixed mit dem Wert null. Daher sind die Ergebnisse der Kurve 1501 dieselben Ergebnisse wie die der Kurve 1402 von Fig. 14. Die Ergebnisse der Kurve 1502 entsprechen einem festen Widerstand R_fixed, der auf etwa 1/6 des Widerstands der Meßschleifenkonfiguration eingestellt ist, die dem Spitzenergebnis von Fig. 14 entspricht. Bei einer Skalenschienenmeßschleife, die etwa die Konfiguration der in Fig. 13 gezeigten Meßschleife 1300 aufweist, entspricht das einer Leiterbahnsegmentbreite des Verbindungsabschnitts, die etwa der Hälfte der Leiterbahnsegmentbreite des Kopplungsabschnitts beim Spitzenergebnis der Kurve 1501 entspricht. Die Ergebnisse der Kurve 1503 entsprechen einem festen Widerstand R_fixed, der auf etwa 2/3 des Widerstands der Meßschleifenkonfiguration eingestellt ist, die dem Spitzenergebnis der Kurve 1501 entspricht. Bei einer Skalenschienenmeßschleife, die etwa die Konfiguration der in Fig. 13 gezeigten Meßschleife 1300 aufweist, entspricht das einer Leiterbahnsegmentbreite des Verbindungsabschnitts, die etwa dem Doppelten der Leiterbahnsegmentbreite des Kopplungsabschnitts beim Spitzenergebnis der Kurve 1501 entspricht.
Die Kurven 1501, 1502 und 1503 zeigen maximale Werte der Größe, die sich auf das Signalkopplungsvermögen der zugehörigen Konfigurationen des Meßschleifenwiderstands bezieht, von 10,7, 9,0 bzw. 6,6 an. Diese Ergebnisse geben an, daß es zum Aufrechterhalten des Signalkopplungsvermögens einer Skalenschienenmeßschleife erwartungsgemäß äußerst vorteilhaft ist, den Widerstand der Leiterbahnsegmente des Verbindungsabschnitts einer Skalenschienenmeßschleife z. B. durch Vergrößerung ihrer Breite zu vermindern.
Daher besitzen in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung die Leiterbahnsegmente des Verbindungsabschnitts der Skalenschienenmeßschleife eine Breite, die wenigstens etwa die Breite des Leiterbahnsegments des Kopplungsabschnitts der Skalenschienenmeßschleife ist. In verschiedenen weiteren beispielhaften Ausführungsformen besitzen die Leiterbahnsegmente des Verbindungsabschnitts der Skalenschienenmeßschleife eine Breite, die größer als etwa das 1,5fache der Breite eines Leiterbahnsegments des Kopplungsabschnitts ist.
Ferner zeigen die Kurven 1501, 1502 und 1503 maximale Werte bei Werten des Leiterbahnbreitenquotienten von etwa 0,65, 0,4 bzw. 0,28. Diese Ergebnisse zeigen, daß dann, wenn der Widerstand der Leiterbahnsegmente des Verbindungsabschnitts vermindert wird, der Leiterbahnbreitenquotient, der der besten Signalkopplungskapazität des Kopplungsabschnitts der Skalenschienenmeßschleife entspricht, ansteigt. Es sollte klar sein, daß bei den zuvor erläuterten Ergebnisse der Fig. 6, 10, 11 und 12 angenommen wird, daß die Leiterbahnbreite der Leiterbahnsegmente des Verbindungsabschnitts gleich der Leiterbahnbreite der Leiterbahnsegmente des Kopplungsabschnitts ist.
Gemäß der in Fig. 15 gezeigten Ergebnissen wird daher in dem Maße, wie der Widerstand der Leiterbahnsegmente der Verbindungsabschnitts einer Skalenschienenmeßschleife vermindert wird, indem die Leiterbahnbreiten dieser Segmente breiter hergestellt werden als die Leiterbahnbreiten der Leiterbahnsegmente des Kopplungsabschnitts, der Leiterbahnbreitenquotient, der dem besten Signalkopplungsvermögen des Kopplungsabschnitts der Skalenschienenmeßschleife entspricht, in die Richtung der zuvor beschriebenen größeren beispielhaften Werte der Leiterbahnbreite tendieren.
In der vorherigen Erläuterung sind verhältnismäßig einfache beispielhafte Skalenschienenmeßschleifen gemäß dieser Erfindung gekennzeichnet worden, die verschiedenen Werten des Leiterbahnbreitenquotienten entsprechen. Es sollte jedoch klar sein, daß zusätzlich zu den verhältnismäßig einfachen Skalenschienenmeßschleifen, die in den Fig. 7, 8 und 13 gezeigt sind, außerdem Skalenschienenmeßschleifen gemäß dieser Erfindung in einer großen Vielzahl weiterer Formen gebildet werden können. Solche Formen enthalten Dreiecke, sinusförmige Formen, Formen mit gekrümmten Linien und Kombinationen solcher Formen. Ferner kann jede Form der Skalenschienenmeßschleifen entweder konstante oder veränderliche Breiten längs einiger oder aller Leiterbahnsegmente der Skalenschienenmeßschleife verwenden. Bei diesen Fällen von komplexen Skalenschienenmeßschleifenformen besitzt jedes Leiterbahnsegment der Skalenschienenmeßschleife eine oder mehrere Breitenabmessungen in Richtungen, die an jedem Punkt längs des Leiterbahnsegments im allgemeinen senkrecht zur Richtung der Skalenschienenmeßschleifenleiterbahn verlaufen.
Ferner besitzt jeder Skalenschienenmeßschleife einen ersten Abschnitt ihrer Innenfläche, der über einem ein Magnetfeld erzeugenden Bereich eines betriebsfähig positionierten Lesekopfes liegt, und ein zweiter Abschnitt ihrer Innenfläche liegt über einem Empfängerbereich des betriebsfähig positionierten Lesekopfes. Die ersten und zweiten Abschnitte der Innenfläche besitzen jeweils maximale Abmessungen längs einer Meßachse und quer zur Meßachse. Im allgemeinen können wenigstens diese maximalen Gesamtabmessungen als Zähler der oben erläuterten beispielhaften Leiterbahnbreitenquotienten verwendet werden, und die Leiterbahnbreiten der Skalenschienenmeßschleife solcher komplexer Meßschleifen können dementsprechend in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ermittelt werden. Wenn eine der maximalen Gesamtabmessungen der ersten und zweiten Abschnitte der Innenfläche längs einer Meßachse und quer zur Meßachse lediglich auf bedeutungslose Merkmale der ersten und zweiten Abschnitte angewendet werden können, sollte statt dessen die maximale Abmessung eines nicht bedeutungslosen Merkmals verwendet werden.
Obwohl die vorhergehenden Ausführungsformen als lineare Meßwertgeber gezeigt sind, sollte klar sein, daß die Konstruktionen in einfacher Weise gemäß den anwendbaren Lehren des eingeschlossenen Patents '389 auf Drehanwendungen umgesetzt werden können. Obwohl die vorhergehenden Ausführungsformen mit räumlich gleichförmigen Wicklungen, die als Senderwicklungen bezeichnet sind, und räumlich modulierten Wicklungen, die als Empfängerwicklungen bezeichnet sind, gezeigt sind, ist einem Fachmann ferner klar, daß die offenbarten Konfigurationen der Meßwertgeberwicklungen alle erfindungsgemäßen Vorteile behalten, wenn die Rollen der Sender- und Empfängerwicklungen in Verbindung mit einer geeigneten Signalverarbeitung "vertauscht" werden. Eine solche geeignete Signalverarbeitungstechnik ist unter Bezugnahme auf Fig. 21 des eingeschlossenen Patents '389 offenbart. Weitere anwendbare Signalverarbeitungstechniken werden Fachmännern erscheinen.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den obigen spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist offensichtlich, daß dem Fachmann viele Alternativen, Kombinationen, Modifikationen und Änderungen deutlich werden. Dementsprechend sollen die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung, die oben dargestellt sind, erläuternd und nicht einschränkend sein. Es können verschiedene Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Erfindungsgedanken und Umfang dieser Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Skalenschienenmeßschleife für Induktionsstrom-Positionsmeßwertgeber (200), dadurch gekennzeichnet, daß
die Skalenschienenmeßschleife (212, 216) eine Innenfläche umfaßt, die durch eine leitfähige Skalenschienenleiterbahn begrenzt ist,
die Skalenschienenmeßschleife (212, 216) längs einer Meßachse (114) relativ zu einem Lesekopf (220) des induktiven Positionsmeßwertgebers (200) positioniert werden kann, so daß ein erster Abschnitt der Innenfläche über einem ein Magnetfeld erzeugenden Bereich am Lesekopf (220) liegt und ein zweiter Abschnitt der Innenfläche über einem ein Magnetfeld erfassenden Bereich am Lesekopf (220) liegt,
jeder der ersten und zweiten Abschnitte einen Satz charakteristischer Abmessungen besitzt, die eine maximale Abmessung parallel zur Meßachse (114) und eine maximale Abmessung quer zur Meßachse (114) umfassen, und
wenigstens ein Abschnitt der Skalenschienenmeßschleifenleiterbahn eine Breitenabmessung besitzt, die wenigstens etwa gleich der 0,2fachen kleinsten der charakteristischen Abmessungen ist.

2. Skalenschienenmeßschleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede maximale Abmessung eine maximale Abmessung eines nicht bedeutungslosen Merkmals der Konfiguration der Skalenschienenmeßschleife (212, 216) ist.

3. Skalenschienenmeßschleife nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Abmessung des ersten Abschnitts quer zur Meßachse (114) die Breite des ein Magnetfeld erzeugenden Bereichs am Lesekopf (220) ist.

4. Skalenschienenmeßschleife nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Abmessung des zweiten Abschnitts quer zur Meßachse (114) die Breite des Bereichs zum Erfassen des Magnetfelds am Lesekopf (220) ist.

5. Skalenschienenmeßschleife nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Skalenschienenleiterbahn eine Breitenabmessung besitzt, die wenigstens gleich der 0,2fachen kleinsten der charakteristischen Abmessungen ist.

6. Skalenschienenmeßschleife nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt der Skalenschienenleiterbahn eine Breitenabmessung besitzt, die wenigstens gleich der 0,3fachen kleinsten der charakteristischen Abmessungen ist.

7. Skalenschienenmeßschleife nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Skalenschienenleiterbahn eine Breitenabmessung besitzt, die wenigstens gleich der 0,3fachen kleinsten der charakteristischen Abmessungen ist.

8. Skalenschienenmeßschleife nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abschnitt der Skalenschienenleiterbahn, der sich etwa quer zur Meßachse (114) erstreckt und vollkommen innerhalb des das Magnetfeld erzeugenden Bereichs oder des das Magnetfeld erfassenden Bereichs liegt, eine Breitenabmessung zwischen etwa der 0,3fachen und etwa der 2,0fachen kleinsten der charakteristischen Abmessungen besitzt.

9. Skalenschienenmeßschleife nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abschnitt der Skalenschienenleiterbahn, der sich etwa quer zur Meßachse (114) erstreckt und vollkommen innerhalb des das Magnetfeld erzeugenden Bereichs oder des das Magnetfeld erfassenden Bereichs liegt, eine Breitenabmessung zwischen etwa der 0,3fachen und etwa der 1,5fachen kleinsten der charakteristischen Abmessungen besitzt.

10. Skalenschienenmeßschleife nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abschnitt der Skalenschienenleiterbahn, der sich etwa quer zur Meßachse (114) erstreckt und vollkommen innerhalb des das Magnetfeld erzeugenden Bereichs oder des das Magnetfeld erfassenden Bereichs liegt, eine Breitenabmessung zwischen etwa der 0,3fachen und etwa der 0,8fachen kleinsten der charakteristischen Abmessungen besitzt.

11. Skalenschienenmeßschleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Abschnitt der Skalenschienenleiterbahn außerhalb des das Magnetfeld erzeugenden Bereichs erstreckt und der das Magnetfeld erfassende Bereich eine Breitenabmessung besitzt, die die Breite eines beliebigen Abschnitts der Skalenschienenleiterbahn überschreitet, der vollständig innerhalb des das Magnetfeld erzeugenden Bereichs oder des das Magnetfeld erfassenden Bereichs liegt.

12. Skalenschienenmeßschleife nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt der Skalenschienenleiterbahn, der sich außerhalb des das Magnetfeld erzeugenden Bereichs und des das Magnetfeld erfassenden Bereichs erstreckt, einen Abschnitt der Skalenschienenleiterbahn, der in einem Bereich zwischen dem das Magnetfeld erzeugenden Bereich und dem das Magnetfeld erfassenden Bereich liegt, umfaßt.

13. Skalenschienenmeßschleife nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt der Skalenschienenleiterbahn, der in dem Bereich zwischen dem das Magnetfeld erzeugenden Bereich und dem das Magnetfeld erfassenden Bereich liegt, eine Breitenabmessung von wenigstens etwa der 1,5fachen Breite eines beliebigen Abschnitts der Skalenschienenleiterbahn, der vollständig innerhalb des das Magnetfeld erzeugenden Bereichs oder des das Magnetfeld erfassenden Bereichs liegt, besitzt.

14. Skalenschienenmeßschleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Meßachse (114) längs eines kreisförmigen Wegs erstreckt.

15. Skalenschienenmeßschleife nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Skalenschienenmeßschleife (212, 216) an einem Substrat befestigt ist, das entweder verhältnismäßig eben oder eher zylindrisch ist.

16. Skalenschienenmeßschleife für Induktionsstrom- Positionsmeßwertgeber (200), dadurch gekennzeichnet, daß
eine Skalenschienenleiterbahn vorgesehen ist, die aus einem elektrisch leitenden Material gebildet und auf einem Substrat befestigt ist,
die Skalenschienenleiterbahn in einer ununterbrochenen Meßschleife angeordnet ist; und
die Skalenschienenleiterbahn zwischen einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche der Skalenschienenleiterbahn in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zum Substrat eine maximale Querschnittsdicke besitzt, die bei einer Betriebsfrequenz des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers (200) an jedem Punkt längs der Skalenschienenleiterbahn im wesentlichen gleich der dreifachen Eindringtiefe des Materials oder kleiner ist.

17. Skalenschienenmeßschleife nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale des Querschnittsdicke bei einer Betriebsfrequenz des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers (200) im wesentlichen gleich der einfachen Eindringtiefe des Materials oder kleiner ist.

18. Skalenschienenmeßschleife nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale des Querschnittsdicke bei einer Betriebsfrequenz des Induktionsstrom-Positionsmeßwertgebers (200) zwischen etwa der 1,0fachen und etwa der 0,3fachen Eindringtiefe des Materials liegt.

19. Skalenschienenmeßschleife für Induktionsstrom- Positionsmeßwertgeber (200), dadurch gekennzeichnet, daß
die Skalenschienenmeßschleife (212, 216) eine Innenfläche umfaßt, die von einer leitenden Skalenschienenleiterbahn begrenzt ist, die auf einem Substrat befestigt ist,
die Skalenschienenmeßschleife (212, 216) längs einer Meßachse (114) relativ zu einem Lesekopf (220) eines induktiven Positionsmeßwertgebers (200) positioniert werden kann, so daß ein erster Abschnitt der Innenfläche über einem ein Magnetfeld erzeugenden Bereich am Lesekopf (220) liegt und ein zweiter Abschnitt der Innenfläche über einem ein Magnetfeld erfassenden Bereich am Lesekopf (220) liegt,
jeder der ersten und zweiten Abschnitte eine Gruppe von charakteristischen Abmessungen besitzt, die eine maximale Abmessung parallel zur Meßachse (114) und eine maximale Abmessung quer zur Meßachse (114) umfassen;
die leitende Skalenschienenleiterbahn einen Querschnitt besitzt, der eine wesentliche Dicke in einer Richtung senkrecht zum Substrat im Vergleich zu seiner Breite parallel zum Substrat aufweist; und
wenigstens ein Abschnitt der Skalenschienenleiterbahn einen Querschnittsumfang aufweist, der wenigstens etwa gleich der 0,4fachen kleinsten der charakteristischen Abmessungen ist.