DE10361905A1

DE10361905A1 - Meßanordnung zur Bestimmung der aktuellen Position, der Orientierung und/oder des Bewegungsablaufs eines Gegenstandes

Info

Publication number: DE10361905A1
Application number: DE2003161905
Authority: DE
Inventors: Peter Prof. Dr. Dittrich
Original assignee: Fachhochschule Jena
Current assignee: Fachhochschule Jena
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2005-07-28

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zur Bestimmung der aktuellen Position, der Orientierung oder des Bewegungsablaufs für mindestens einen Gegenstand (2), der relativ zu einem zweiten Gegenstand (1) beweglich ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß DOLLAR A - an dem Gegenstand (1) eine in den Koordinaten X, Y ausgedehnte Bezugsfläche (3) vorhanden ist, DOLLAR A - vorbestimmte Orte der Bezugsfläche (3) über eine Steuerschaltung (6) mit einer Spannungsquelle (8) in Verbindung stehen, DOLLAR A - die Orte mittels der Steuerschaltung (6) in zeitlicher Folge mit elektrischen Potentialen beaufschlagt werden, so daß sich zwischen benachbarten Orten energetische Felder ausbilden, DOLLAR A - der Gegenstand (2) mit Energiewandlern ausgestattet ist, die mit den Feldern in Wechselwirkung treten und DOLLAR A - eine Auswerteeinrichtung (10) vorhanden ist, mit welcher der Einfluß der Felder auf die Energiewandler oder umgekehrt gemessen wird und aus den Meßergebnissen auf die aktuelle Position bzw. den Bewegungsablauf des Gegenstandes (2) geschlußfolgert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zur Bestimmung der aktuellen Position, der Orientierung und/oder des Bewegungsablaufs für mindestens einen ersten, beweglichen Gegenstand relativ zu einem zweiten, stationären Gegenstand, wobei die relativ zueinander beweglichen Gegenstände über energetische Felder miteinander in Wechselwirkung treten.

Bekannt sind Anordnungen, bei denen sich Gegenstände über eine ebene oder leicht gekrümmte Fläche bewegen und dabei vorgegebene Positionen einnehmen sollen, wie dies beispielsweise bei einem Mehrkoordinatenantrieb nach DE 197 12 893 A1 der Fall ist, bei dem unter Einwirkung von Verschiebekräften die Lage von Objekten translatorisch und rotatorisch in Relation zu einer stationären Geräteeinheit verändert werden kann.

Um bei derartigen Vorrichtungen die beweglichen Objekte in vorgegebene Positionen verschieben zu können, ist es notwendig, die sich während der Bewegung verändernden Positionen zu bestimmen und zu verfolgen und davon ausgehend Ansteuersignale zu generieren, welche die Bewegung des Objektes in eine Soll-Position oder zumindest in Richtung einer Soll-Position veranlassen.

Es ist prinzipiell möglich und auch bekannt, zur Positionsbestimmung eine Kamera zu nutzen und dieser ein Bildverarbeitungssystem nachzuschalten, das aus den mit der Kamera aufgenommenen Bildern die jeweilige Ist-Position des anzusteuernden Objektes ermittelt.

Nachteilig bei solchen Einrichtungen mit Bilderfassung und Bildverarbeitung ist zum einen, daß ein kostenintensiver Aufwand insbesondere dann zu treiben ist, wenn die Lage des Objektes in verhältnismäßig kurzen Zeitabständen von beispielsweise 2 ms ermittelt werden muß. Zum anderen nimmt die Genauigkeit bei der Bestimmung der Ist-Position ab, je größer der Bewegungsbereich des Objektes ist. Weiterhin muß für die Kamera freie Sicht auf die Objekte gewährleistet sein, was Bauraum beansprucht, der oftmals auch für andere Einrichtungen benötigt wird.

Bei einer Anordnung nach DE 102 61 659.0-22 zum Beispiel werden Gegenstände auf einer Bezugsfläche verschoben, indem die Bezugsfläche in eine schwingende Bewegung versetzt wird und die Gegenstände während dieser Bewegung mittels elektromagnetischer Wandler zeitlich begrenzt an die Bezugsfläche gekoppelt werden, so daß Bewegungsenergie von der Bezugsfläche auf die Gegenstände übertragen wird. Nach erfolgter Entkopplung bewegen sich die Gegenstände relativ zur Bezugsfläche. Die Richtung dieser Bewegung wird mit dem Zeitpunkt der Entkopplung und damit in Abhängigkeit von der Phase der Schwingung der Bezugsfläche vorgegeben. Um die Positionen der Gegenstände während ihrer Bewegung überwachen zu können, ist eine Kamera über der Bezugsfläche angeordnet, allerdings mit den oben genannten Nachteilen.

Weiterhin ist aus DE 198 55 685 A1 eine induktive Positionsmeßeinrichtung bekannt, bei der die Positionsbestimmung anhand der Kopplung zwischen einer Transmitterwindung, in die Energie eingespeist wird, und mindestens zweier Empfängerwindungen vorgenommen wird. Dabei wird die Kopplungsänderung durch magnetisch leitfähige Modulatoren, die entlang einer Koordinate angeordnet sind, oder die Änderung der Lage der Windungen zueinander ausgewertet. Nachteiligerweise ist diese Anordnung lediglich zur Bestimmung von Positionen entlang einer Koordinate geeignet.

In DE 198 23 059 C2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der räumlichen Lage eines Körpers mit asymmetrischer Magnetfeldverteilung beschrieben. Hier wird aus den von mehreren, in Form einer Matrix angeordneten elektromagnetischen Wandlern abgegebenen Signalen die Lage eines Gegenstandes ermittelt, wobei eine asymmetrische Magnetfeldverteilung vorausgesetzt wird und der Gegenstand funktionsbedingt mehrere dieser elektromagnetischen Wandler überdecken muß. Damit ist diese Anordnung lediglich geeignet für Gegenstände, die groß sind im Verhältnis zu den elektromagnetischen Wandlern, oder für eine Matrix, die aus sehr vielen einzelnen elektromagnetischen Wandlern besteht, was nachteilig einen hohen materiellen Aufwand erfordert.

Ein weiteres Positionserfassungssystem nach DE 695 11 452 T2 beruht darauf, daß mittels magnetoresistiver Leitungen Magnetfelder detektiert werden, die beispielsweise von einem sich bewegenden Permanentmagneten ausgehen. Dabei werden Widerstandsänderungen ausgewertet und in Informationen über die räumliche Feldverteilung bzw. die Position des Permanentmagneten umgesetzt. Ein solches System ist nachteiligerweise nur über einen verhältnismäßig kleinen Bewegungsbereich realisierbar.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Anordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß mit verhältnismäßig geringem technischen Aufwand eine hinreichend genaue Erfassung der Positionen eines oder mehrerer über eine Fläche bewegter Gegenstände möglich ist und auch qualitative Aussagen über Bewegungsabläufe, insbesondere zurückgelegte Wegstrecken, Geschwindigkeiten und Bewegungsbahnen, gewonnen werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe für eine Meßanordnung zur Bestimmung der aktuellen Position, der Orientierung und/oder des Bewegungsablaufs für mindestens einen ersten, beweglichen Gegenstand relativ zu einem zweiten, stationären Gegenstand dadurch gelöst, daß

– an dem stationären Gegenstand eine in den Koordinaten X, Y ausgedehnte Bezugsfläche für den beweglichen Gegenstand vorhanden ist,
– ein Raster von vorbestimmten Orten der Bezugsfläche über eine Steuerschaltung mit einer Spannungsquelle in Verbindung stehen,
– die Orte mittels der Steuerschaltung mit sich in zeitlicher Folge ändernden elektrischen Potentialen beaufschlagt werden, so daß sich zwischen benachbarten Orten energetische, in Bezug auf ihre Ausbreitungsrichtung und Stärke wechselnde Felder ausbilden,
– der bewegliche Gegenstand mit Energiewandlern ausgestattet ist, die mit den energetischen Feldern in Wechselwirkung treten und
– eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die mit der Steuerschaltung und den Energiewandlern in Verbindung steht und mit welcher der Einfluß der energetischen Felder auf die Energiewandler und/oder der Einfluß der Energiewandler auf

die Felder gemessen wird und aus den so gewonnen Meßergebnissen Schlußfolgerungen auf die aktuelle Position und/oder den Bewegungsablauf des beweglichen Gegenstandes gewonnen werden.

Während die aktuellen Positionen eines sich über die Bezugsfläche bewegenden Gegenstandes mit der Angabe der jeweiligen Koordinaten X, Y bestimmt sind, ist unter der Orientierung des beweglichen Gegenstands im Sinne der vorliegenden Erfindung seine aktuelle Ausrichtung bzw. Verdrehung φ um eine Senkrechte auf die Bezugsfläche zu verstehen.

Diese Meßanordnung ist für einen oder mehrere Gegenstände, die sich über die Bezugsfläche des stationären Gegenstandes bewegen, anwendbar. Dabei können die beweglichen Gegenstände auf der Bezugsfläche aufliegend über die Bezugsfläche gleiten, die in diesen Falle als Auflagefläche dient, oder während der Bewegung durch Kräfte, die der Schwerkraft entgegenwirken, in einer vorgegebenen Höhe über der Bezugsfläche gehalten werden.

Aufgrund der Beaufschlagung der Vielzahl von Orten mit elektrischen Potentialen ist die gesamte Bezugsfläche, zumindest aber der Bewegungsbereich eines beweglichen Gegenstandes auf der Bezugsfläche, mit energetischen Feldern überzogen, deren örtliche Ausrichtung und Intensität in Abhängigkeit von der Änderung der Potentiale variieren. Werden die Potentialänderungen definiert vorgegeben, ergeben sich in der Folge auch definierte Änderung der energetischen Felder.

Die energetischen Felder treten an den Positionen der Bezugsfläche, an denen sich während eines Meßzeitpunktes ein Gegenstand befindet, dem ein Energiewandler zugeordnet ist, mit diesem in Wechselwirkung. Diese Wechselwirkung generiert Signale am Signalausgang des Energiewandlers, die meßtechnisch erfaßt werden.

Aus der Zuordnung dieser Signale zu Meßzeiten und den beaufschlagten Orten der Bezugsfläche werden die aktuellen Positionen eines oder mehrerer sich über der Bezugsfläche befindenden Gegenstände bestimmt. Durch Vergleich der Positionen zu verschiedenen Meßzeiten werden Schlußfolgerungen dahingehend gezogen, ob ein Gegenstand seine Position verändert. Weiterhin wird bei Bedarf durch Vergleich der Positionsänderungen über eine vorgegebene Zeitspanne hinweg der Bewegungsablauf des Gegenstandes verfolgt bzw. kontrolliert, beispielsweise im Hinblick darauf, ob die Bewegung geradlinig oder gekrümmt verläuft, über welche Strecke sich der Gegenstand in dieser Zeitspanne bewegt hat und mit welcher Geschwindigkeit die Bewegung vor sich gegangen ist.

Da die Lage der zu beaufschlagenden Orte auf der Bezugsfläche definiert ist, lassen sich die durch die energetischen Felder in den Energiewandlern hervorgerufenen Meßwerte eindeutig Positionen auf der Bezugsfläche zuordnen und in Koordinaten X, Y angeben.

Umgekehrt üben auch die Energiewandler auf die energetischen Felder Einfluß aus, der sich in der Veränderung ihrer Kenngrößen bemerkbar macht und so ebenfalls durch Messungen erfaßt werden kann. Insofern können auch an wahlweise vorzugebenden Positionen der Bezugsfläche diese Kenngrößen bzw. deren Veränderungen erfaßt und beobachtet und daraus Schlußfolgerungen auf das Vorhandensein eines Gegenstandes an diesen Positionen, die wiederum durch die Koordinaten X, Y bestimmt sind, gezogen werden.

Die energetischen Felder werden mittels der Steuerschaltung generiert. Diese weist in einer beispielhaften Ausgestaltung mehrere Ausgänge auf, die gemeinsam ein Mehrphasensystem bilden. Dabei führt jeder Ausgang im zeitlichen Wechsel entweder ein definiertes energetisches, bevorzugt elektrisches Potential oder ist potentialfrei geschaltet. Die Potentialänderungen an den Ausgängen werden durch Umschalten innerhalb der Steuerschaltung hervorgerufen oder auch dadurch, daß das Potential bzw. die elektrische Versorgungsspannung am Eingang der Steuerschaltung selbst sich in Abhängigkeit von der Zeit in Form einer Schwingung ändert, also ein in seiner Intensität wechselndes Potential bzw. eine Wechselspannung verwendet wird und so die Potentiale an den Ausgängen der Steuerschaltung an sich oder zusätzlich beeinflußt werden.

Ist dabei beispielsweise die Frequenz der Wechselspannung größer als die Frequenz, mit der in der Steuerschaltung umgeschaltet wird, erzeugen die Schwingungen der daraus resultierenden Feldänderungen Potentialänderungen am Signalausgang des Energiewandlers. Deren Größe und deren Phasenlage in Bezug auf die Wechselspannung des Potentials, mit dem die Steuerschaltung versorgt wird, kann in einer besonderen Ausgestaltungsvariante der Meßanordnung zur Gewinnung der Meßwerte genutzt werden.

Bevorzugt ist die Bezugsfläche elektrisch leitfähig ausgebildet. Vorteilhaft wird als Bezugsfläche die Oberseite einer Kupferplatte, einer Kupferfolie oder eines Kupfernetzes genutzt. Dieser flächenhafte elektrische Leiter wird vorteilhaft auf einer Stahlplatte, die magnetisch gut leitend ist, angeordnet.

Jeder Ausgang der Steuerschaltung ist mit einem der Orte auf der Bezugsfläche verbunden, so daß jeder der Orte im zeitlichen Wechsel wiederkehrend mit einem elektrischen Potential beaufschlagt wird und sich zwischen jeweils benachbarten Orten für die Zeit der Ansteuerung ein energetisches Feld ausbildet.

Dabei entspricht jeder Ausgang der Steuerschaltung einer Phase. Die Beaufschlagung der Orte erfolgt insofern analog zu einem Mehrphasensystem. Alle Orte, die an demselben Ausgang bzw. derselben Phase angeschlossen sind, bilden einen Strang. Die Anzahl der Phasen und der Stränge stimmt überein.

Mehrere benachbarte Orte, die an unterschiedlichen Ausgängen bzw. Phasen angeschlossen sind, bilden eine Gruppe. Diese Gruppen sind vielfach vorhanden und etwa gleichmäßig über die Bezugsfläche verteilt. Mittels der Steuerschaltung wird veranlaßt, daß sich zwischen den Orten jeder Gruppe die energetischen Felder ausbilden und dadurch bezüglich ihrer Ausbreitungsrichtung und Stärke variieren. Die Ausbreitungsrichtung wird durch das Anlegen der Potentiale an ausgewählte Orte innerhalb einer Gruppe vorgegeben, die Stärke der energetischen Felder wird mit dem angelegten Potential variiert.

Bevorzugt besteht jede Gruppe aus drei benachbarten Orten Oa, Ob, Oc, und die Steuerschaltung weist drei Ausgänge bzw. drei Phasen auf, wovon jeder mit einem der drei Orte Oa, Ob, Oc verbunden ist. Die Ansteuerung dieser Orte Oa, Ob, Oc erfolgt beispielsweise so, daß sich die energetischen Felder sequentiell zunächst zwischen den Orten Oa und Ob, dann zwischen den Orten Ob und Oc und schließlich zwischen den Orten Oc und Oa einer jeden Gruppe ausbreiten, wonach die Ansteuerung in gleicher Folge und im selben Zeittakt wiederholt wird.

Besonders bevorzugt sind jeweils drei Orte Oa, Ob, Oc einer Gruppe so auf der Bezugsfläche angeordnet, daß sie jeweils an den Scheitelpunkten eines gleichseitigen Dreiecks liegen.

Abweichend davon kann in einer weiterführenden Ausgestaltung der Meßanordnung eine Steuerschaltung mit vier Ausgängen vorgesehen sein, wobei in diesem Falle jede Gruppe aus vier Orten Oa, Ob, Oc, Od besteht und jeder der vier Ausgänge mit einem dieser Orte in Verbindung steht. Die Ansteuerung dieser vier Orte erfolgt sequentiell beispielsweise so, daß sich die energetischen Felder zunächst zwischen den Orten Oa und Ob, dann zwischen Ob und Oc, Oc und Od, Od und Oa, Ob und Od sowie schließlich zwischen Oc und Od ausbreiten, wonach auch hier die Ansteuerung in gleicher Folge und im Zeittakt wiederholt wird.

Bei dieser Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn die zu einer Gruppe gehörenden Orte Oa bis Od auf der Bezugsfläche jeweils an den Eckpunkten eines Rhombus positioniert sind.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß sich die Ausgänge der Steuerschaltung nicht auf die hier beispielhaft angegebenen Anzahl von drei oder vier Ausgängen beschränkt, sondern diese Anzahl und auch die Anzahl der zu einer Gruppe gehörenden Orte je nach Ausgestaltung der Meßanordnung variabel ist.

In Abhängigkeit von den Potentialen am Ausgang der Steuerschaltung und damit an den jeweils beaufschlagten Orten ergeben sich spezifische Muster in der Verteilung des energetischen Feldes auf der Bezugsfläche. Befindet sich ein bewegter Gegenstand in einer bestimmten Position auf oder über der Bezugsfläche, werden von den Energiewandlern dementsprechende spezifische Signale aufgenommen. Auf der Grundlage dessen, daß mit der Steuerschaltung in fortlaufender Folge unterschiedliche wiederkehrende Muster erzeugt werden, ist durch einen Vergleich der erhaltenen Signale mit den in bestimmten Positionen möglichen Signalen eine Zuordnung der Position des bewegten Gegenstandes zu den Orten bzw. umgekehrt möglich.

Da sich auf der Bezugsfläche viele Orte gleicher Stränge befinden können, ist eine absolute Zuordnung zu einer bestimmten Gruppe von Orten möglich, indem zu Beginn des fortlaufenden Meßvorganges entweder durch ein Referenzsystem, das nicht Gegenstand der Erfindung ist, eine definierte Bezugslage gesichert wird, oder die Ausgangslage beim Start des Meßvorganges als Bezugslage definiert wird. Ausgehend von einer solchen Bezugslage kann die aktuelle Position eines bewegten Gegenstandes auch über den Bereich einer Gruppe hinaus verfolgt werden, wenn gesichert ist, daß diese Positionsbestimmung in zeitlich so kurzen Abständen erfolgt, daß der bewegte Gegenstand in dieser Zeit nicht eine ganze Gruppe überspringt.

Die für einen bewegten Gegenstand über eine vorgegebene Zeitspanne hinweg ermittelten Positionswerte können in der Auswerteeinrichtung zu Informationen über den Ablauf der Bewegung verknüpft werden. Dabei werden durch Verfolgung der Positionen Aussagen über die Bewegungsrichtung, wie geradliniger oder gekrümmter Verlauf der Bewegungsbahn, Gleichförmigkeit oder Ungleichförmigkeit der Bewegung, Beschleunigung bzw. Verzögerung während der Bewegung von Position zu Position und Bewegungsgeschwindigkeit gewonnen, indem die Positionswerte entsprechend des Zusammenhangs zwischen Weg, Zeit und Geschwindigkeit miteinander verknüpft werden.

Zur Meßwertgewinnung werden vorteilhaft die magnetischen Felder genutzt, die auf Grund der Potentialdifferenzen der zwischen den Orten einer Gruppe fließenden elektrischen Ströme entstehen, wobei die Energiewandler als magneto-elektrische Wandler ausgebildet sind. Als magneto-elektrische Energiewandler werden z.B. Hall Sensoren oder magnetorestive Sensoren genutzt. Die unter dem Einfluß der magnetischen Felder erzeugten Stromänderungen oder Widerstandsänderungen in diesen Sensoren werden erfaßt und ausgewertet. Ebenso ist es möglich, Induktoren in Form von Meßspulen einzusetzen, die bevorzugt einen Spulenkern besitzen, der aus Ferrit oder einer weichmagnetischen Legierung besteht.

In diesen Meßspulen werden mit jeder Änderung des magnetischen Feldes elektrische Spannungen induziert, deren Größe und Richtung erfaßt und ausgewertet werden. Im besonderen Falle können die Energiewandler aus mehreren Sensoren gebildet sein, die paarweise Komponenten des magnetischen Feldes aufnehmen, die senkrecht zueinander stehen und so z.B. den in den Koordinatenrichtungen X und Y fließenden elektrischen Strömen bzw. den damit verkoppelten magnetischen Feldern zugeordnet sind.

Der Einfluß der energetischen Felder auf die Energiewandler wird beispielsweise bei Verwendung von Meßspulen gemessen, indem die Änderung des magnetischen Feldes im Zusammenhang mit der Änderung des Stromes nach der Änderung des Potentials am Ausgang der Steuerschaltung eine elektrische Spannung induziert. Da eine solche Änderung durch die Steuerschaltung eingeleitet wird, sind damit auch die aktuellen Potentiale am Ausgang der Steuerschaltung und an den Orten bekannt. Daraus wird eine Aussage dahingehend abgeleitet, wie sich in der Bezugsfläche der Strom und damit das magnetische Feld in Abhängigkeit von der Position ausbilden. Somit läßt sich über gemessene Änderungen auf die Position der dem betreffenden Gegenstand zugeordneten Meßspulen bzw. auf die Position dieses Gegenstandes schließen.

Wie bereits dargelegt ist es auch möglich, daß das Potential, mit dem die Steuereinheit versorgt wird, sich zeitlich ändert, also eine Wechselspannung zur Verfügung gestellt wird, deren Frequenz größer ist als die Frequenz, mit der die Steuerschaltung schaltet. Die Schwingungen der daraus resultierenden Feldänderungen erzeugen Spannungsänderungen am Ausgang der Meßspule. Deren Größe und deren Phasenlage in Bezug auf die Wechselspannung des Potentials, mit dem die Steuerschaltung versorgt wird, kann in einer entsprechenden Ausgestaltung der Meßanordnung zur Gewinnung der Meßwerte genutzt werden.

Weiterhin ist es denkbar, die sich auf der Bezugsfläche ausbildenden energetischen Felder zu bestimmen, indem an den bewegten Gegenständen angeordnete elektrisch leitende Tastspitzen direkt das elektrische Potential über der Bezugsfläche aufnehmen. Dies ist auch möglich mit Hilfe von Elektroden, die auf das elektrische Feld reagieren.

In einer besonderen Ausgestaltung der Meßanordnung kann der Einfluß der Energiewandler auf die energetischen Felder genutzt werden, um daraus die Position eines Gegenstandes zu bestimmten, dem ein Energiewandler zugeordnet ist. Dies beruht darauf, daß dann, wenn eine starke Wechselwirkung zwischen den energetischen Feldern und einem Energiewandler stattfindet, diesen Feldern auch in starkem Maße Energie entzogen wird. In diesem Fall sind an den Signalausgängen der Energiewandler intensitätsstarke Signale verfügbar.

Ist die Kopplung zwischen einem Energiewandler zu den energetischen Feldern nur schwach oder keine Kopplung vorhanden, wird den Feldern auch nur in geringem Maße oder überhaupt nicht Energie entzogen. Dann stehen am Signalausgang des Energiewandlers nur intensitätsschwache oder keine Signale zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.

Diese Bedingungen können am Ausgang der Steuerschaltung 6 beispielsweise bestimmt werden, indem gemessen wird, wie schnell die energetischen Felder aufgebaut werden. Dies ist durch die Messung des elektrischen Stromes am Ausgang der Steuerschaltung und Auswertung seiner Anstiegszeit möglich. Eine Anstiegszeit größerer Dauer deutet auf eine starke Kopplung und eine Anstiegszeit geringer Dauer auf eine schwache Kopplung hin. Diese Informationen über die Kopplung können dann in der Vergleichseinheit 9 ausgewertet werden.

Der Einfluß der Energiewandler auf die energetischen Felder und damit auch der gemessene Effekt ist um so größer, je mehr Energie von den Wandlern den energetischen Feldern entzogen wird. Werden magneto-elektrische Wandler mit einer Spule eingesetzt, kann an der Spule ein Widerstand angeschlossen oder die Spule kann kurzgeschlossen werden. Ebenso ist es möglich, an der Spule weitere Elemente wie Kondensatoren anzuschließen, die mit den Spulen einen Schwingkreis bilden. Dieser kann auf die Frequenz einer durch die Spannungsquelle 8 erzeugten Wechselspannung oder die Schaltfrequenz der Steuerschaltung 6 abgestimmt werden, was besonders vorteilhaft ist.

Der genannte Effekt tritt auch dann ein, wenn der Energiewandler nur aus elektrisch leitendem Material oder aus magnetisch oder elektrisch leitendem Material besteht und damit die Induktivität vergrößert wird bzw. Wirbelströme entstehen.

Vorteilhaft für diese Ausgestaltung der Meßanordnungen ist vor allem, daß keine Zuleitungen zwischen dem bewegten Gegenstand 2 und seiner Umgebung notwendig sind.

Die so gewonnenen Meßwerte, die den Einfluß der energetischen Felder auf die Energiewandler bzw. den Einfluß der Energiewandler auf die energetischen Felder charakterisieren, werden in der Auswerteeinrichtung zur Gewinnung von Positionswerten in Bezug auf die Koordinaten X, Y verknüpft, wobei wie nachstehend erläutert verfahren wird.

Die Abstände zwischen zwei benachbarten Orten auf der Bezugsfläche sind von der gewünschten räumlichen Auflösung abhängig und sollten im Bereich von 5 mm bis 50 mm liegen. Das mit jeder Phase von den Ausgängen der Steuerschaltung an die Orte angelegte Potential soll im Bereich elektrischer Spannungen zwischen 1 V und 10 V liegen. Der zeitliche Wechsel bei der sequentiellen Beaufschlagung der Orte mit einem elektrischen Potential liegt bevorzugt im Bereich von 0,05 ms bis 0,1 ms.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer angedeuteten Vielzahl von Orten, die mit einem elektrischen Potential zu beaufschlagen sind,
2 eine detailliertere Darstellung des Aufbaus nach 1, lediglich bezogen auf eine Anzahl von drei Orten, und mit einer Ausgestaltungsvariante der Steuerschaltung,
3 eine vereinfachte Darstellung angesteuerter Orte in der Bezugsfläche,
4 ein Schaltbild mit dem Signalfluß in der Meßanordnung,
5 eine vereinfachte Darstellung der Strompfade, die sich bei einer Ansteuerung nach 3 in der Bezugsfläche ausbilden,
6 ein Beispiel der Meßwertgewinnung für die Koordinatenrichtungen X und Y,
7 ein Beispiel für die Auswertung der Meßergebnisse im Hinblick auf die Bewegungsrichtung und die zurückgelegte Strecke eines Gegenstandes,
8 die Ausführung eines Energiewandlers,
9 die Ausführung eines Induktors im Energiewandler,
10 die beispielhafte Ausführung eines stationären Gegenstandes mit einer Bezugsfläche.
In 1 sind symbolisch ein Gegenstand 1, beispielsweise der stationäre Teil eines Mehrkoordinatenantriebes, sowie ein Gegenstand 2, beispielsweise der bewegliche Teil des Mehrkoordinatenantriebes, dargestellt, wobei letzterer in einer von den Koordinaten X, Y aufgespannten Ebene beweglich ist.
Diese Ebene sei in Form einer Bezugsfläche 3 gebildet, die in 1 der Zeichnungsebene entspricht. Der Gegenstand 2 liegt auf dieser Bezugsfläche 3 lose auf oder wird durch eine Führung oder durch Gegenkräfte in einem vorgegebenen Abstand zur Bezugsfläche 3 gehalten. Die Bewegung des Gegenstandes 2 über die Bezugsfläche 3 hinweg wird durch Kräfte ausgelöst, die beispielsweise von außen auf den Gegenstand 2 einwirken, etwa durch Verschiebung von Hand, durch Verschiebung mittels einer mechanischen Einrichtung oder durch Lorentzkräfte, die mit Hilfe von Induktoren generiert werden, die in den Gegenstand 2 integriert und dort der Einwirkung elektromagnetischer Felder unterworfen sind. Das Zustandekommen von solchen Kräften, die zur Bewegung des Gegenstandes 2 nutzbar sind, spielt im Zusammenhang mit der Erfindung eine untergeordnete Rolle und soll deshalb hier nicht näher erläutert werden.
Aus 1 ist weiterhin ersichtlich, daß die Bezugsfläche 3 in ein Raster aus Orten Oa₁, Oa₂, Oa₃ ... Oa_n; Ob₁, Ob₂, Ob₃ ... Ob_n; Oc₁, Oc₂, Oc₃ ... Oc_n gegliedert ist, wobei eine Vielzahl dieser Orte über die gesamte Bezugsfläche 3 verteilt ist. Jeder dieser Orte ist über eine Steuerleitungen 5a, 5b, 5c mit den Ausgängen einer Steuerschaltung 6 verbunden, die ihrerseits über Anschlußleitungen 7a, 7b mit einer Spannungsquelle 8 in Verbindung steht.
Jeder Ausgang der Steuerschaltung 6 entspricht einer Phase des hier wirksamen elektrischen Systems. Auf der Bezugsfläche 3 bilden benachbarte Orte, die an unterschiedliche Ausgänge der Steuerschaltung 6 bzw. an unterschiedliche Phasen angeschlossen sind, wie zum Beispiel die Orte Oa₁, Ob₁ und Oc₁, eine Gruppe.
Alle Orte, die an demselben Ausgang bzw, an derselben Phase angeschlossen sind, bilden einen Strang. So bilden die Orte Oa₁, Oa₂, Oa₃ ... Oa_n einen Strang a, die Orte Ob₁, Ob₂, Ob₃ ... Ob_n Strang b und die Orte Oc₁, Oc₂, Oc₃ ... Oc_n einen Strang c. Die Anzahl der Phasen und der Stränge stimmt überein.
2 zeigt einen Ausschnitt aus 1 . Hier ist der Gegenstand 1 mit der Bezugsfläche 3 perspektivisch gezeichnet, und es sind der Übersichtlichkeit halber lediglich drei Orte Oa, Ob und Oc auf der Bezugsfläche 3 dargestellt. Der Gegenstand 2, der relativ zu Gegenstand 1 beweglich ist, ist ebenfalls der Übersichtlichkeit halber über der Bezugsfläche 3 schwebend dargestellt, liegt jedoch wie bereits beschrieben beim Betreiben der Anordnung auf der Bezugsfläche 3 auf.
Jeder der Orte Oa, Ob und Oc in 2 ist gesondert über eine Steuerleitung 5a, 5b oder 5c mit der Steuerschaltung 6 verbunden. Die Steuerschaltung 6 ist lediglich im Prinzip dargestellt, das der nachfolgenden Erläuterung der Ansteuerung der Orte mit einem elektrischen Potential dienen soll.
In der Steuerschaltung 6 nach 2 sind drei Schalter S1, S2 und S3 zu erkennen. Bei der hier gewählten Schalterstellung sorgt die über die Anschlußleitungen 7a, 7b an die Steuerschaltung 6 gelegte Spannung dafür, daß an den Orten Oa und Ob ein elektri sches Potential anliegt, infolge dessen durch die Bezugsfläche 3, die als flächenhafter elektrischer Leiter ausgebildet ist, ein Strom fließt, der über der Bezugsfläche 3 ein elektro-magnetisches Feld hervorruft.
Befindet sich der Gegenstand 2 beispielsweise in dieser Position auf der Bezugsfläche 3, so wird ein ihm zugeordneter Energiewandler, dessen Funktion weiter unten näher erläutert wird, durch das über der Bezugsfläche 3 ausgebildete elektro-magnetische Feld beeinflußt.
Das Ergebnis der in 2 beispielhaft dargestellten Schalterstellung im Hinblick auf die Potentiale an den Ausgängen der Steuerschaltung 6 und damit an den Steuerleitungen 5a, 5b, 5c läßt sich mit „1,0,-" charakterisieren, was bedeutet, daß an der mit Schalter S1 verbundenen Steuerleitung 5a ein Potential anliegt, das dem über die Anschlußleitungen 7a und 7b zugeführten Versorgungsspannung entspricht, an der mit Schalter S2 verbundenen Steuerleitung 5b das Potential „null" der Anschlußleitung 7b anliegt („0") und die mit Schalter 53 verbundene Steuerleitung 5c spannungsfrei („-") geschaltet ist.
Mit der Änderung der Schalterstellungen von S1, S2 und S3 können gewünschte Potentiale an die Ausgänge der Steuerschaltung 6 gelegt werden, wie etwa „1,0,-" oder „– ,0,1" oder „0,–,1", die dann vermittels der Steuerleitungen 5a, 5b und 5c an den Orten Oa, Ob, Oc entsprechend anliegen.
Wie bereits dargelegt, ist die Bezugsfläche 3 mit einem Raster aus Orten Oa₁, Oa₂, Oa₃ ... Oa_n; Ob₁, Ob₂, Ob₃ ... Ob_n; Oc₁, Oc₂, Oc₃ ... Oc_n überzogen, wobei jeweils drei einander benachbarte Orte in der aus 2 ersichtlichen Weise mit der Steuerschaltung 6 verbunden sind. Bei der in 2 gewählten Stellung der Schalter S1, S2 und S3 liegt demzufolge an allen Orten Oa₁, Oa₂, Oa₃ ... Oa_n und Ob₁, Ob₂, Ob₃ ... Ob_n ein elektrisches Potential an und es bilden sich in der Bezugsfläche 3 Strompfade aus, wie sie auszugsweise und vereinfacht als Geraden in 3 dargestellt sind.
Wechseln die Schalterstellungen von S1, S2 und S3, so bilden sich über die Bezugsfläche 3 verteilt zunächst zwischen den Orten Oa und Ob, dann zwischen den Orten Ob und Oc und schließlich zwischen den Orten Oc und Oa die elektro-magnetischen Felder aus. Diese Ansteuerung wird in einem vorgegebenen Takt wiederholt.
Der Gegenstand 2 befindet sich auf der Bezugsfläche 3 also stets in einer durch die beaufschlagten Orte Oa, Ob bzw. Oc definierten Position. Es werden durch den in den Gegenstand 2 integrierten magneto-elektrischen Energiewandler dieser Position zugeordnete magnetische Felder registriert und dadurch ein Meßsignal erzeugt, das am Ausgang des Energiewandlers zur Weiterverarbeitung bereit steht.
Wird der Gegenstand 2 über die Bezugsfläche 3 hinweg bewegt, so gibt der Energiewandler von Messung zu Messung Signale ab, die je nach Bewegungsrichtung und Bewegungsgeschwindigkeit magnetischen Feldern an unterschiedlichen, jedoch anhand der jeweils beaufschlagten Orte Oa₁, Oa₂, Oa₃ ... Oa_n; Ob₁, Ob₂, Ob₃ ... Ob_n; Oc₁, Oc₂, Oc₃ ... Oc_n definierten Positionen der Bezugsfläche 3 zugeordnet sind.
Mit der Verknüpfung der zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessenen Signale mit den Positionen der zu diesem Zeitpunkt angesteuerten Orte Oa₁, Oa₂, Oa₃ ... Oa_n; Ob₁, Ob₂, Ob₃ ... Ob_n; Oc₁, Oc₂, Oc₃ ... Oc_n werden die Koordinaten X, Y bestimmt, bei denen sich der Gegenstand 2 zum Zeitpunkt der Messung befindet.
Da die Koordinaten X, Y aller in der Bezugsfläche 3 ansteuerbaren Orte in einer Auswerteeinrichtung 10, die nachfolgend anhand 4 näher erläutert wird, gespeichert sind, können so die Positionen des Gegenstandes 2 auf der Bezugsfläche 3 lokalisiert werden.
In dem Schaltbild nach 4 ist der Signalfluß zwischen der Steuerschaltung 6, der Auswerteeinrichtung 10 und einem Gegenstand 2, in den ein Energiewandler integriert ist, dargestellt. Die Steuerschaltung 6 sollte, um kurze Leitungswege zu erzielen, möglichst nahe an der Bezugsfläche 3 angeordnet sein.
Beim Betreiben der Anordnung wird mit der von der Spannungsquelle 8 versorgten Steuerschaltung 6 in der bereits beschriebenen Weise die Einprägung bestimmter Ströme in vorgegebener zeitlicher Folge in die elektrisch leitend ausgebildete Bezugsfläche 3 veranlaßt. Dabei werden durch zyklische Änderung der Schalterstellungen von S1, S2 und S3 die mit der Steuerschaltung 6 verbundenen Orte Oa, Ob, Oc, die jeweils n-fach auf der Bezugsfläche 3 vorhanden sind, sich stets wiederholend mit einem Potential beaufschlagt.
Der Gegenstand 2, für den die Koordinaten X, Y auf der Bezugsfläche 3 zu bestimmen sind, befindet sich stets in einer Position über der Bezugsfläche 3, in welcher der ihm zugeordnete Energiewandler mit dem über der Bezugsfläche 3 ausgebildeten magnetischen Feld in Wechselwirkung W tritt.
Dabei erfaßt der Energiewandler die Komponenten des Feldes getrennt für die x-Koordinate I_x und die y-Koordinate I_y. Es sei vereinbart, daß beispielsweise das Vorzeichen des Meßsignals positiv (+) ist, wenn die Richtung des Stromes bezüglich der x-Achse in die Koordinatenrichtung X zeigt, und das Vorzeichen des Meßsignals negativ (–) ist, wenn der Strom entgegengesetzt gerichtet ist. Dies gilt in analoger Weise für die Richtung des Stromes bezüglich der Koordinatenrichtung Y.
Der Energiewandler, mit dem der Gegenstand 2 ausgestattet ist, gibt demzufolge

– ein Signal I_x mit dem Vorzeichen „+" ab, wenn auf der Bezugsfläche 3 unter dem Gegenstand 2 ein Strom oder eine Komponente des Stromes in Richtung der X-Achse fließt,
– ein Signal I_x mit dem Vorzeichen „–" ab, wenn auf der Bezugsfläche 3 unter dem Gegenstand 2 ein Strom oder eine Komponente des Stromes entgegen der Richtung der X-Achse fließt,
– ein Signal I_y mit dem Vorzeichen „+" ab, wenn auf der Bezugsfläche 3 unter dem Gegenstand 2 ein Strom oder eine Komponente des Stromes in Richtung der Y-Achse fließt,
– ein Signal I_y mit dem Vorzeichen „–" ab, wenn auf der Bezugsfläche 3 unter dem Gegenstand 2 ein Strom oder eine Komponente des Stromes entgegen der Richtung der Y-Achse fließt,
– ein Signal 0 ab, wenn auf der Bezugsfläche 3 unter dem Gegenstand 2 kein Strom bzw. keine Komponente des Stromes fließt oder der Betrag des Stromes einen vorgegebenen Wert unterschreitet.

An einer Vergleichseinheit 9, die Bestandteil der Auswerteeinrichtung 10 ist, liegen Informationen zur aktuellen Schalterstellung von S1, S2 und S3 in der Steuerschaltung 6 und damit Informationen darüber an, zwischen welchen der jeweils in der Anzahl n vorhandenen Orte Oa, Ob, Oc, deren Positionen auf der Bezugsfläche 3 definiert sind, sich das Feld ausbildet und damit eine bestimmte Wechselwirkung W eintritt.
Der Vergleichseinheit 9 werden nun die Meßsignale zugeführt, die der Energiewandler des Gegenstandes 2 abgibt. Aus der Verknüpfung dieser Informationen wird in der Vergleichseinheit 9 der Strompfad bestimmt, über dem sich der Energiewandler bzw. der Gegenstand 2 befindet.
Die Information über diesen Strompfad wird in einer Speicherschaltung 11, die ebenfalls Bestandteil der Auswerteeinrichtung 10 ist, abgespeichert. Bei einer zweiten, zeitlich nachfolgenden Erfassung der von dem Energiewandler kommenden Signale wird diese Information an eine Speicherschaltung 12 weitergegeben, während die Information über den nun aktuellen Strompfad wiederum in der Speicherschaltung 11 abgelegt wird.
Die Informationen aus den Speicherschaltungen 11 und 12 werden einem Zähler 13 zugeführt, mit welchem festgestellt wird, ob sich der Gegenstand 2 im Zeitraum zwischen zwei Messungen von dem in der Speicherschaltung 12 gespeicherten Strompfad zu einem anderen, nun in der Speicherschaltung 11 abgelegten Strompfad bewegt hat, oder ob die in den Speicherschaltungen 11 und 12 abgelegten Strompfade identisch sind und sich somit die Position des Gegenstands 2 nicht verändert hat.
Im Ergebnis liegen am Ausgang 14 der Auswerteeinrichtung 10 Informationen an, in welchen Koordinaten X, Y sich der Gegenstand 2 während einer jeden Messung befindet.
Erreicht wird dies beispielsweise, wenn der Zähler 13 als mehrdimensionaler Zähler ausgebildet ist, der sowohl in der Koordinatenrichtung X als auch in der Koordinatenrichtung Y Inkremente zählt, die den Abständen der Schwerpunkte der Strompfade entsprechen, und diese von Messung zu Messung festhält. Beispielsweise wird mit jeder Positionsänderung des Gegenstandes 2 von einem Strompfad zu einem anderen Strompfad ein entsprechendes Inkrement gezählt.
Welche Abstände von Schwerpunkt zu Schwerpunkt in den beiden Koordinatenrichtungen X und Y als Inkremente dieser Zählung zugrunde zu legen sind, ist für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel aus 5 ersichtlich. Hier sind die Bereiche der Bezugsfläche 3, in denen ein Strom fließt bzw. fließen kann, in Form von rhombenförmigen Strompfaden dargestellt. Der Schwerpunkt eines jeden so dargestellten Strompfa des liegt jeweils im Mittelpunkt des Rhombus. In 5 ist für jeden dieser Strompfade bc, cb, ba usw. der Schwerpunkt als kleiner Kreis in der Mitte des jeweiligen Rhombus angedeutet.
Es sei vereinbart, daß beispielsweise jeweils der Abstand s zwischen zwei Orten Oa, Ob bzw. Oc in Richtung der Koordinate X ein Zählinkrement bildet. Sind die Orte Oa, Ob, Oc einer Gruppe auf der Bezugsfläche 3 so verteilt, daß sie jeweils an den Scheiteln eines gleichseitigen Dreiecks positioniert sind, so beträgt ihr Abstand in der Koordinatenrichtung Y (√3/2)·s Zählinkremente.
Zur weiteren Erläuterung zeigt 6 in vereinfachter Weise den Zusammenhang von momentaner Schalterstellung S1, S2 und S3 in der Steuerschaltung 6 einerseits und den vom Energiewandler abgegebenen Signalen andererseits für Strompfade, in denen aufgrund dieser Schalterstellung ein Strom fließt.
Weiter oben wurde bereits dargelegt, in welcher Weise mit den Schalterstellungen von S1, S2 und S3 gewünschte Potentiale „1 ,0,–"; „–,0,1" und „0,–,1" an die Ausgänge der Steuerschaltung 6 gelegt werden. Die Angabe „1 ,0,–" bedeutet, daß

– an der Phase, die dem Schalter S1 zugeordnet ist, das Potential „1" anliegt, nämlich das über die Anschlußleitungen 7a und 7b (vgl. 2) der Steuerschaltung 6 zugeführte Potential,
– an der Phase, die dem Schalter S2 zugeordnet ist, das Potential „0" anliegt, nämlich das Potential der Anschlußleitung 7b, und
– die dem Schalter S3 zugeordnete Phase potentialfrei geschaltet ist („–").

Für die vom Energiewandler abgegebenen Meßsignale sollen die Vorzeichen „+" und „–" zur Kennzeichnung der Bewegungsrichtungen als vereinbart gelten. Für den Fall, daß das vom Energiewandler abgegebene Meßsignal „0" ist oder einen Referenzwert unterschreitet, soll ein Signal „0" registriert werden.
In 6 sind die Meßsignale mit Vorzeichen „+" und „–" bzw. „0" angegeben, wie sie in Abhängigkeit von den Schalterstellungen von S1, S2, S3 bzw. von den jeweils an den Phasen anliegenden Potentialen „1 ,0,–"; „–,0,1 " und „0,–,1 " von dem Energiewandler in Zuordnung zu den Strompfaden ab, bc, ca usw. registriert werden.
Während ein Zyklus mit den verschiedenen Schalterstellungen bzw. Potentialen „1 ,0,–"; „–,0,1" und „0,–,1" durchläuft, ermittelt die Vergleichseinheit 9 aus dem Vergleich der vom Energiewandler abgegebenen Meßsignale mit den möglichen (unbeeinflußten) Meßsignalen den Strompfad, über dem sich der Energiewandler zum Zeitpunkt der Messung befindet.
Die Strompfade sind jeweils mit zwei Buchstaben bezeichnet. So ist beispielsweise der Strompfad „ab" jeweils zwischen zwei Orten Oa und Ob ausgebildet, der Strompfad „cb" jeweils zwischen zwei Orten Oc und Ob usw. Wie aus 6 ersichtlich, ist die Bezeichnung der Strompfade so gewählt, daß der erste Buchstabe einen Ort mit einer Koordinate angibt, deren x-Wert kleiner ist als der x-Wert des mit dem jeweils zweiten Buchstaben angegebenen Ortes. Weiterhin erhält der zweite Buchstabe einen Unterstrich, wenn der durch ihn bezeichnete Ort einen kleineren y-Wert hat als der mit dem ersten Buchstaben angegebene Ort.
In 7 sind die Zählinkremente aufgelistet, die man erhält, wenn sich der Gegenstand 2 während einer ersten Messung an der Position des Strompfades „ab" und bei der nächsten Messung an der Position eines der Strompfade „bc", „ba" ... „ba" befindet.
Bei einem angenommenen Positionswechsel vom Strompfad „ab" zum benachbarten Strompfad „bc" würden sich „s" Zählinkremente für die Koordinatenrichtung X und „0" Zählinkremente für die Koordinatenrichtung Y ergeben. Bei einem Positionswechsel vom Strompfad „ab" zum Strompfad „ba" dagegen würden für die Koordinatenrichtung X ¾·s und für die Koordinatenrichtung Y (√3/4)·s Inkremente gezählt.
Aus 7 ist zu erkennen, daß es bei dem hier beispielhaft gewählten System mit drei Phasen zwei angrenzende Strompfade „ba" und „ba" gibt, die in ihrer Richtungszuordnung zu dem Strompfad „ab" nicht eindeutig sind. Dies kann durch die Wahl einer höheren Phasenzahl oder auch durch eine Erweiterung des Energiewandlers umgangen werden.
In 8 ist ein Ausführungsbeispiel für einen einem Gegenstand 2 zugeordneten Energiewandler dargestellt. Dieser besteht aus vier Induktoren 15 bis 18, von deren die Induktoren 15 und 16 den sich über der Bezugsfläche 3 in der Koordinatenrichtung X wirkenden Komponenten des magnetischen Feldes und die Induktoren 17 und 18 den in der Koordinatenrichtung Y wirkenden Komponenten des magnetischen Feldes zugeordnet sind.
Wie in 9 dargestellt, entstehen Komponenten des magnetischen Feldes in der Koordinatenrichtung Y, wenn der elektrische Strom in der Bezugsfläche 3 (in 9 nicht dargestellt) unter den Wandlern Komponenten in der Koordinatenrichtung X aufweist und umgekehrt. 9 zeigt, wie ein Strom, der in der Koordinatenrichtung X fließt ein magnetisches Feld erzeugt. Dieses Feld ist symbolisiert durch eine Feldlinie, die sich in der Ebene senkrecht zu diesem Strom schließt.
Das Feld verläuft durch die Wandler, die dadurch in den Koordinatenrichtungen X, Y mit dem magnetischen Feld verkoppelt sind. Die Wandler 15 und 16 geben also Signale I_y und die Wandler 17 und 18 Signale I_x ab.
Die Induktoren 15 bis 18 sind in jeder der beiden Richtungen X, Y in einem Abstand von s/2 zueinander angeordnet. Somit ist bei der Bewegung des Gegenstandes 2 eine eindeutige Zuordnung im Hinblick auf den Übergang von einem Strompfad zu einem nächsten Strompfad möglich. Außerdem ist damit gewährleistet, daß immer mindestens einer der Induktoren 15 oder 16 ein Signal für die Koordinatenrichtung X und einer der Induktoren 17 oder 18 ein Signal für die Koordinatenrichtung Y liefert und auch ein Signal für die Orientierung φ des Gegenstandes 2, d.h. für seine Verdrehung um die Senkrechte auf die Bezugsfläche 1, verfügbar ist, und zwar auch immer dann, wenn sich einer der Induktoren 15 bis 18 genau über einem der Orte Oa, Ob oder Oc befindet.
Außerdem besteht ein wesentlicher Vorteil dieser Ausgestaltung des Energiewandlers darin, daß vier Signale, von denen jeweils eines von einem der Induktoren 15 bis 18 kommt, der Auswerteeinrichtung 10 zugeführt und dort mit den übrigen Informationen verknüpft werden können, wodurch eine gute Auswertegenauigkeit gegeben ist. Denkbar ist es weiterhin, die Größe der Signale zu bestimmen und mittels Interpolation auf die Position der einzelnen Induktoren 15 bis 18 innerhalb der einzelnen Strompfade zu schließen, was die Auswertegenauigkeit nochmals erhöht.
In 9 ist weiterhin einer der Induktoren im Detail dargestellt. Er besitzt neben einer Spule 19 einen Kern 20, der aus einem magnetisch leitfähigen Material besteht, so daß sich die energetische Kopplung mit der Bezugsfläche 3 erhöht.
Fließt ein elektrischer Strom in Koordinatenrichtung X durch die Bezugsfläche 3, so durchsetzt dessen magnetisches Feld die Spule 19 und den Kern 20 des betreffenden Induktors, und mit jeder Änderung des magnetischen Feldes werden Spannungen in der Spule 19 induziert, die, wie bereits dargelegt, als Meßsignale erfaßt und ausgewertet werden.
An dem bewegten Gegenstand 2 können weitere Wandler in einem vorgegebenen Abstand angeordnet sein, mit denen ebenfalls die Positionen X, Y bestimmt werden. Aus der Zuordnung dieser Positionen bzw. deren Änderungen sowie dem Abstand zwischen den Sensoren kann die Orientierung φ des Gegenstandes 2 ermittelt werden.
10 zeigt eine Möglichkeit der Ausführung des stationären Gegenstandes 1. Hierbei ist die Bezugsfläche 3 an der Oberseite einer ersten dünnen, elektrisch leitfähigen Platte 21 ausgebildet. Unmittelbar unter der Platte 21 ist vorteilhaft eine weitere, jedoch magnetisch leitende Platte 22 angeordnet. Die Steuerleitungen 5a, 5b, 5c sind vorteilhaft in den verschiedenen leitenden Schichten 23a, 23b, 23c einer Mehrebenenleiterplatte zwischen den Isolierschichten 25 untergebracht. Die leitenden Verbindungen zwischen jeweils einer leitenden Schicht 23a, 23b, 23c und einem der Orte Oa₁, Oa₂, Oa₃ ... Oa_n; Ob₁, Ob₂, Ob₃ ... Ob_n; Oc₁, Oc₂, Oc₃ ... Oc_n in der Bezugsfläche 3 sind mittels Durchkontaktierungen 24 hergestellt.

1: stationärer Gegenstand
2: beweglicher Gegenstand
3: Bezugsfläche
5a, 5b, 5c: Steuerleitungen
6: Steuerschaltung
7a, 7b: Anschlußleitungen
8: Spannungsquelle
9: Vergleichseinheit
10: Auswerteeinrichtung
11: Speicherschaltung
12: Speicherschaltung
13: mehrdimensionaler Zähler
14: Ausgang
15 bis 18: Induktoren
19: Spule
20: Kern
21: elektrisch leitende Platte
22: magnetisch leitende Platte
23: Mehrebenenleiterplatte
23a, 23b, 23c: leitende Schichten
24: Durchkontaktierungen
25: Isolierschichten
Oa, Ob, Oc: Orte
S1, S2, S3: Schalter
ab, bc, ca ...: Strompfade
W: Wechselwirkung

Claims

Meßanordnung zur Bestimmung der aktuellen Position, der Orientierung und/oder des Bewegungsablaufs für mindestens einen ersten, beweglichen Gegenstand (2) relativ zu einem zweiten, stationären Gegenstand (1), wobei die Gegenstände über energetische Felder miteinander in Wechselwirkung treten, und wobei – an dem stationären Gegenstand (1) eine in den Koordinaten X, Y ausgedehnte Bezugsfläche (3) für den beweglichen Gegenstand (2) vorhanden ist, – ein Raster von vorbestimmten Orten der Bezugsfläche (3) über eine Steuerschaltung (6) mit einer Spannungsquelle (8) in Verbindung steht, – die Orte mittels der Steuerschaltung (6) mit sich in zeitlicher Folge ändernden elektrischen Potentialen beaufschlagt werden, so daß sich zwischen benachbarten Orten energetische, in Bezug auf ihre Ausbreitungsrichtung und Stärke wechselnde Felder ausbilden, – der bewegliche Gegenstand (2) mit Energiewandlern ausgestattet ist, die mit den energetischen Feldern in Wechselwirkung treten, und – eine Auswerteeinrichtung (10) vorgesehen ist, die mit der Steuerschaltung (6) und den Energiewandlern in Verbindung steht und mit der – der Einfluß der energetischen Felder auf die Energiewandler und/oder – der Einfluß der Energiewandler auf die Felder gemessen wird und – daraus Schlußfolgerungen auf die aktuelle Position und/oder den Bewegungsablauf des beweglichen Gegenstandes (2) gewonnen werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (6) mindestens drei Ausgänge aufweist, jedem Ausgang eine Phase eines energetischen Potentials zugeordnet ist, jeder Ausgang mit einem von mehreren zueinander benachbarten Orten in Verbindung steht und die Ansteuerung im zeitli chen Wechsel erfolgt, so daß sich im zeitlichen Wechsel zwischen mindestens jeweils zwei dieser Orte die energetischen Felder ausbreiten.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (6) drei Ausgänge aufweist, jeder der drei Ausgänge mit einem von drei zueinander benachbarten Orten Oa, Ob, Oc In Verbindung steht und sich aufgrund der Ansteuerung die energetischen Felder im zeitlichen Wechsel zwischen den Orten Oa, Ob und Oc ausbreiten.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Orte in einem gleichförmigen Raster über die Bezugsfläche (3) verteilt sind und jeweils die drei zueinander benachbarten Orte Oa, Ob, Oc die Scheitelpunkte eines gleichseitigen Dreiecks definieren.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung vier Ausgänge aufweist, jeder der vier Ausgänge mit einem von vier zueinander benachbarten Orten Oa, Ob, Oc, Od in Verbindung steht und sich aufgrund der Ansteuerung die energetischen Felder im zeitlichen Wechsel zwischen den Orten Oa, Ob, Oc und Od ausbreiten.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Orte in einem gleichförmigen Raster über die Bezugsfläche (3) verteilt sind und jeweils die vier zueinander benachbarten Orte Oa, Ob, Oc, Od die Eckpunkte eines Rhombus definieren.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsfläche (3) aus einem elektrisch leitenden Material, bevorzugt aus Kupfer, besteht.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitungen (5a, 5b, 5c) als unterschiedliche leitende Schichten (23a, 23b, 23c) einer Mehrebenenleiterplatte ausgebildet sind und die leitenden Verbindungen zwischen den leitende Schichten (23a, 23b, 23c) und jeweils einem der Orte Oa, Ob, Oc über Durchkontaktierungen hergestellt sind.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiewandler als magneto-elektrische Energiewandler ausgebildet sind und ein magnetischer Anteil der energetischen Felder zur Meßwertgewinnung genutzt wird.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die magneto-elektrischen Energiewandler aus vier einzelnen Wandlern bestehen, die orthogonal zueinander ausgerichtet sind.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler aus einem Induktor (15, 16, 17, 18) besteht, der jeweils aus einer Spule (19) und vorteilhaft weiterhin aus einem aus Ferrit oder Weicheisen gefertigten Spulenkern (20) gebildet ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen jeweils zwei benachbarten Orten im Bereich von 5 mm bis 50 mm liegen.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit jeder Phase an die Orte angelegte Spannung im Bereich von 1 V und 10 V liegt.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Wechsel bei der sequentiellen Beaufschlagung der Orte mit einem elektrischen Potential im Bereich von 0,05 ms bis 0,1 ms liegt.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß der energetischen Felder auf die Energiewandler gemessen wird mittels Hallsensoren oder magnetoresistiven Sensoren, wobei unter dem Einfluß der magnetischen Felder eine Meßspannung entsteht oder sich der Widerstand der jeweils verwendeten Sensoren ändert.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß der energetischen Felder auf die Energiewandler gemessen wird – mittels kapazitiver Elektroden, wobei unter dem Einfluß der energetischen Felder Spannungen an diesen Elektroden entstehen, die ausgewertet werden, oder – mittels Elektroden, die einen elektrisch leitfähigen Kontakt zur Bezugsfläche (3) herstellen, wobei die sich auf der Bezugsfläche (3) ausbildenden elektrischen Potentiale gemessen und ausgewertet werden.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Steuerschaltung (6) mit einer Meßschaltung verbunden sind, mit der die Anstiegszeiten der Ströme in den Ausgängen gemessen und daraus die Zeitspannen bestimmt werden, in denen sich die durch die Ströme verursachten energetischen Felder aufbauen, und durch Vergleich der Zeitspannen, in denen sich Felder einerseits ohne und andererseits mit dem Einfluß eines Energiewandlers aufbauen, Schlußfolgerungen auf das Vorhandensein eines Energiewandlers an den betreffenden Orten und damit auf die Position des Energiewandlers gezogen werden.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteeinrichtung die für einen beweglichen Gegenstand (2) über eine vorgegebene Zeitspanne ermittelten Positionswerte zu Informationen über den Ablauf der Bewegung des Gegenstandes (2) verknüpft werden.