DE69810504T2

DE69810504T2 - Positionsgeber

Info

Publication number: DE69810504T2
Application number: DE69810504T
Authority: DE
Inventors: Nicholas Dames; David Thomas Eliot Ely
Original assignee: Synaptics UK Ltd
Current assignee: Synaptics UK Ltd
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2018-10-16
Also published as: EP1308697A2; JP4172911B2; WO1999019691A1; EP1023575A1; DE69810504D1; EP1308697A3; ATE230479T1; US6522128B1; GB9721891D0; AU9451998A; JP2001520368A; EP1023575B1; TW453013B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verwendung in einem Positionsgeber, der die relative Position zwischen wenigstens zwei relativ zueinander bewegbaren Elementen erfaßt. Die Erfindung ist bei induktiven Linear- und Rotations-Positionsgebern anwendbar.
Die WO 95/31696 beschreibt einen induktiven Positionsgeber, bei dem ein Element eine Erregerwicklung und eine Anzahl von Sensorwicklungen auf einer gedruckten Sensor-Leiterplatte und das andere Element einen Resonator trägt, der ebenfalls auf einer gedruckten Leiterplatte angeordnet ist. Im Betrieb wird an die Erregerwicklung ein Wechselstrom angelegt, der bewirkt, daß im Bereich der gedruckten Sensor-Leiterplatte ein magnetisches Wechselfeld entsteht. Dieses Feld koppelt induktiv an den Resonator an, wenn sich dieser in der Nähe der gedruckten. Sensor-Leiterplatte befindet, wodurch der Resonator in Schwingung gerät. Dadurch wiederum wird in der Umgebung der gedruckten Sensor-Leiterplatte ein, eigenes räumlich gemustertes Magnetfeld erzeugt. Dieses Resonator-Magnetfeld induziert in den Sensorwicklungen alternierende Signale, deren Amplitude sich sinusförmig mit der relativen Position der beiden Elemente verändert. Ein ähnliches System ist in der EP 0182085 beschrieben, wobei anstelle des Resonators jedoch ein leitender Schirm verwendet wird. Die Verwendung eines leitenden Schirmes hat allerdings den Nachteil, daß der Ausgangssignalpegel sehr klein ist und daß das in den Sensorwicklungen vom leitenden Schirm induzierte Signal im wesentlichen die gleiche Phase, aber die entgegengesetzte Polarität wie die Signale hat, die in den Sensorwicklungen direkt von der Erregerwicklung erzeugt werden. Im Gegensatz dazu besteht bei einem Resonator eine Phasenverschiebung von 90º zwischen den in den Sensorwicklungen vom Resonator induzierten Signalen und den Signalen, die in den Sensorwicklungen durch die Erregerwicklung induziert werden. Mit einem Resonator ist es daher möglich, mit einer Synchronerfassung das Resonatorsignal von jedem Erregerstromdurchbruch zu isolieren.
Der Aufbau der Sensorwicklungen ist in beiden System für den Betrieb des Positionsgebers sehr kritisch. Insbesondere müssen sie so geformt werden, daß die erforderliche sinusförmige Ankopplung an der Resonator entsteht, daß aber die Ankopplung an die Erregerwicklung minimal ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die Sensorwicklungen aus einer Anzahl von in Reihe verbundenen Schleifen aufgebaut werden, die so angeordnet sind, daß die durch ein gemeinsames Magnetfeld in benachbarten Schleifen induzierten Signale einander entgegengesetzt sind, und daß die Erregerwicklung als eine oder mehrere Windungen um den Umfang der Sensorwicklungen ausgebildet wird.
Die WO 97/14935 beschreibt einen Positionsgeber, der quadratische Sensorwicklungen aufweist, die auf den beiden Seiten einer gedruckten Leiterplatte als leitende Bahnen ausgebildet sind, wobei eine Erregerwicklung radial um die gedruckte Leiterplatte herumgewickelt ist. Im Betrieb wird der Erregerwicklung ein Erregersignal zugeführt, das mit einem positionsabhängigen Magnetfeld wechselwirkt, damit unterschiedliche Abschnitte eines sättigbaren magnetischen Elements zu verschiedenen Zeiten gesättigt oder nicht gesättigt sind. Diese sich verändernde Sättigung induziert in den Sensorwicklungen ein Signal, aus dem sich die Position eines beweglichen Elements bestimmen läßt.
Die FR 2682760 beschreibt einen kontaktlosen Positionsgeber, bei dem die Sensor- und Erregerwicklungen auf einer isolierenden Basis ausgebildet sind. Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, für die Sensor- und Erregerwicklungen eine alternative Geometrie anzugeben.
Nach einem Aspekt umfaßt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Verwendung in einem Positionsgeber mit einer Anzahl von ersten Leiterbahnen, die in einer ersten Schicht entlang eines Meßpfads angeordnet sind; einer Anzahl von zweiten Leiterbahnen; die in einer zweiten Schicht entlang des Meßpfads angeordnet sind; wobei die ersten und zweiten Leiterbahnen einander überlagern und miteinander verbunden sind, um (i) einen ersten Schaltkreis mit mindestens zwei Schleifen entlang des Meßpfads, wobei die Schleifen in Serie geschaltet sind und so angeordnet sind, daß durch ein gemeinsames elektromagnetisches Feld in den mindestens zwei Schleifen erzeugte Signale gegeneinander wirken; und (ii) einen zweiten Schaltkreis mit mindestens einer Schleife festlegen, die sich entlang des Meßpfads erstreckt; die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Leiterbahnen in der ersten Schicht, die einen Teil des ersten Schaltkreises bilden, in ersten und zweiten Gruppen angeordnet sind, die in Querrichtung relativ zum Meßpfad im Abstand voneinander angeordnet sind; daß die Leiterbahnen in der zweiten Schicht, die einen Teil des ersten Schaltkreises bilden, so angeordnet sind, daß sie Leiterbahnen in der ersten Gruppe mit Leiterbahnen in der zweiten Gruppe verbindet; und daß die Leiterbahn oder - bahnen, die die mindestens eine Schleife des zweiten Schaltkreises bilden, in der ersten Schicht zwischen der ersten und der zweiten Leiterbahngruppe angeordnet sind. Eine solche Vorrichtung hat den Vorteil, daß für eine gegebene Größe der isolierenden Basis die Fläche der Windungen des ersten Schaltkreises unabhängig von der Anzahl der Windungen des zweiten Schaltkreises maximal gemacht werden kann.
Gemäß diesem Aspekt umfaßt die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung zur Verwendung in einem Positionsgeber mit einer isolierenden Basis, die erste und zweite Flächen festlegt, die sich entlang des Meßpfads erstrecken; mit einer Anzahl von ersten Leiterbahnen auf der ersten Fläche entlang des. Meßpfads; mit einer Anzahl von zweiten Leiterbahnen auf der zweiten Fläche entlang des Meßpfads; wobei die isolierende Basis eine Anzahl von Kontaktlöchern aufweist, die die Leiterbahnen auf der ersten Fläche mit den Leiterbahnen auf der zweiten Fläche verbinden, wobei die Leiterbahnen auf der ersten Fläche und die Leiterbahnen auf der zweiten Fläche so angeordnet sind, daß sie, wenn sie miteinander über die Kontaktlöcher verbunden sind, (i) einen ersten Schaltkreis mit mindestens zwei Schleifen entlang des Meßpfads, wobei die Schleifen in Serie geschaltet sind und so angeordnet sind, daß die durch ein gemeinsames elektromagnetisches Feld in den mindestens zwei Schleifen erzeugten Signale gegeneinander wirken; und (ii) einen zweiten Schaltkreis mit mindestens einer Schleife festlegen, die sich entlang des Meßpfads erstreckt; die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Leiterbahnen auf der ersten Fläche, die einen Teil des ersten Schaltkreises bilden, in ersten und zweiten Gruppen angeordnet sind, die in Querrichtung relativ zum Meßpfad im Abstand voneinander angeordnet sind; daß die Leiterbahnen auf der zweiten Fläche, die einen Teil des ersten Schaltkreises bilden, so angeordnet sind, daß sie Leiterbahnen in der ersten Gruppe mit Leiterbahnen in der zweiten Gruppe verbinden; und daß die Leiterbahn oder -bahnen, die die mindestens eine Schleife des zweiten Schaltkreises bilden, auf der ersten Fläche zwischen der ersten und der zweiten Gruppe aufgebracht sind.
Dieser Aspekt umfaßt auch einen Positionsgeber mit ersten und zweiten Elementen, die entlang eines Meßpfads relativ zueinander bewegbar sind; wobei das erste Element die oben beschriebene Vorrichtung und das zweite Element eine Einrichtung aufweist, die mit den Schaltkreisen der Vorrichtung so zusammenwirkt, daß in Reaktion auf ein Eingangs-Erregungssignal, das an einen der Schaltkreise angelegt wird, in dem anderen Schaltkreis ein Ausgangssignal induziert wird, das als Funktion der relativen Stellung der ersten und zweiten Elemente entlang des Meßpfads zueinander variiert.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine rotierende Welle mit einem relativ dazu angebrachten Positionsgeber zum Erfassen der Position der rotierenden Welle;
Fig. 2a schematisch eine Windung einer Sensorwicklung, die Teil des Positionsgebers der Fig. 1 ist;
Fig. 2b schematisch die Form der Wicklung der Fig. 2a, wenn sie entlang eines linearen Weges ausgestreckt wird;
Fig. 2c eine gedruckte Leiterplatte, auf der die Wicklung der Fig. 2a zusammen mit drei ähnlichen Wicklungen und einer Erregerwicklung angeordnet ist;
Fig. 2d zwei der Wicklungen der Fig. 2c, wenn sie entlang eines linearen Weges ausgestreckt werden, um zu zeigen, auf welche Weise diese beiden Wicklungen in Reihe verbunden sind, um eine Sensorwicklung zu bilden;
Fig. 2e die obere Lage von gedruckten Leiterbahnen, die Teil einer gedruckten Leiterplatte ist;
Fig. 2f die untere Lage von Leiterbahnen, die zusammen mit der oberen Leiterbahnschicht der Fig. 2e einen Wandler mit einer Erregerwicklung und zwei Sensorwicklungen mit jeweils zwei Windungen bildet, wobei der Abstand zwischen den Windungen in den einzelnen Sensorwicklungen so eingerichtet ist, daß harmonische Verzerrungen verringert werden;
Fig. 2g die beiden Sensorwindungen der Fig. 2c, wenn sie über einen linearen Weg ausgestreckt werden;
Fig. 2h die obere Lage von Leiterbahnen, die einen Teil der gedruckten Leiterplatte der Fig. 2c bildet;
Fig. 21 die untere Lage von Leiterbahnen, die einen Teil der gedruckten Leiterplatte der Fig. 2c bildet;
Fig. 2j die Wicklung der Fig. 2a zusammen mit einem Teil der Erregerwicklung, sie, stellt die Art dar, in der die Erregerwicklung mit den Anschlußpunkten verbunden ist, ohne daß eine Ankopplung an die Sensorwicklung erfolgt;
Fig. 3a die obere Lage einer gedruckten Resonator-Leiterplatte;
Fig. 3b die untere Lage der gedruckten Resonator-Leiterplatte;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Erreger- und Verarbeitungsschaltung, die zum Anregen der Erregerwicklung der Fig. 2c und zum Verarbeiten der Signale verwendet wird, die von den Sensorwicklungen der Fig. 2c aufgenommen werden;
Fig. 5 zeigt die Art, in der sich die Amplitude des Signals, das in jeder Sensorwicklung induziert wird, mit der Winkelposition der sich drehenden Welle verändert;
Fig. 6 zeigt eine alternative Form der Erregerwicklung der Fig. 2c; und
Fig. 7 zeigt die Form einer Erregerwicklung und eines Satzes von Sensorwicklungen, die einen Teil eines linearen Gebers bilden:
Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Welle 1, die sich um ihre Achse drehen kann und die durch ein Lager 3 in einer Stützwand 5 verläuft. Eine erste gedruckte Leiterplatte 9 mit einem Resonator (nicht gezeigt) ist mit der Welle 1 drehbar (wie es durch den Pfeil 7 angezeigt wird) auf einer Buchse 11 ganz in der Nähe einer zweiten gedruckten Leiterplatte 15 (im Querschnitt gezeigt) angeordnet, die eine Anzahl von Sensorwicklungen (nicht gezeigt) und eine Erregerwicklung (auch nicht gezeigt) enthält. Die zweite gedruckte Leiterplatte 15 ist an der Stützwand 5 befestigt und weist in ihrer Mitte ein Löch 16 auf, durch das die drehbare Welle 1 verläuft.
Die Erregerwicklung, die Sensorwicklungen und der Resonator sind so angeordnet, daß, wenn der Erregerwicklung ein Erregerstrom zugeführt wird, der Resonator arbeitet, wodurch Signale in den Sensorwicklungen induziert werden, wobei sich die Amplitude der Signale sinusförmig mit dem Rotationswinkel der Welle verändert. Die Sensorwicklungen sind mit einer verarbeitenden Elektronik. (nicht, gezeigt) verbunden, die die induzierten Signale verarbeitet, um den Rotationswinkel der drehbaren Welle 1 zu bestimmen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden zwei Sensorwicklungen mit jeweils zwei Windungen verwendet, die in Umfangsrichtung um die Leiterplatte 15 verlaufen. Jede Windung der Sensorwicklungen weist die gleiche geometrische Form auf und umfaßt drei Windungsperioden, wobei sich jede Periode in Umfangsrichtung über einen Winkel von etwa 120º erstreckt. Die Fig. 2a zeigt die Form einer Windung 21-1 einer der Sensorwicklungen 21 und die Fig. 2b die Form dieser Windung 21-1, wenn sie entlang einer geraden Linie ausgestreckt wird. Wie in den Fig. 2a und 2b gezeigt, umfaßt die Windung 21-1 der Sensorwicklung sechs hexagonal geformte Schleifen 21-1a bis 21-1f aus in Reihe verbundenen Leitern, die so verbunden sind, daß benachbarte Schleifen einen entgegengesetzten Wicklungssinn besitzen. Eine EMK, die in einer der Schleifen induziert wird, ist daher der EMK entgegengesetzt, die durch das gleiche Magnetfeld in der benachbarten Schleife induziert wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die von jeder Schleife umschlossene Fläche in etwa gleich, wodurch jede Windung und damit auch jede Sensorwicklung gegenüber elektromagnetischen Hintergrundstörungen relativ immun ist, da sich die in benachbarten Windungen induzierten EMKs im wesentlichen gegenseitig aufheben. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Sensorwicklungen auf einer zweilagigen gedruckten Leiterplatte mit einem Durchmesser von etwa 25 mm ausgebildet. Die Leiterbahnen auf der Oberseite (die im Gebrauch zur Stützwand 5 zeigt) sind in den Fig. 2a und 2b gestrichelt dargestellt, und die Leiterbahnen auf der Unterseite (die im Gebrauch zur gedruckten Resonator-Leiterplatte 9 zeigt) sind in ausgezogenen Linien dargestellt. Der Hauptteil der Leiterbahnen befindet sich wie ersichtlich auf der Seite der gedruckten Leiterplatte, die im Gebrauch der gedruckten Resonator-Leiterplatte 9 näher ist. Dadurch wird sichergestellt, daß die Kopplung zwischen dem Resonator und den Sensorwicklungen maximal ist. Wie in den Fig. 2a und 2b zu sehen ist, befinden sich die Kontaktlöcher 22, die die Leiterbahnen auf der Oberseite und auf der Unterseite der gedruckten Leiterplatte 15 miteinander verbinden, an den inneren und äußeren Rändern der Windungen, und die Leiterbahnen, die diese Ränder miteinander verbinden, befinden sich alle auf der Unterseite der gedruckten Leiterplatte.
Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Verbindung von der Windung 21-1 der Sensorwicklung zu einem Paar von Verbindungspunkten 23 und 25 durch das Entfernen der Kontaktlöcher, die sich normalerweise am Punkt A befinden würden (um die Leiterbahnen 24 und 26 zu verbinden, die sich auf entgegengesetzten Seiten der gedruckten Leiterplatte befinden), und durch das Anordnen von zwei Verbindungsbahnen 28 von den Enden dieser Leiterbahnen am Punkt A zu den Verbindungspunkten 23 und 25. Wie gezeigt folgen die Verbindungsbahnen 28 einander auf den gegenüberliegenden Seiten der gedruckten Leiterplatte, wodurch die magnetische Kopplung zwischen den Verbindungsbahnen 28 und dem Resonator (nicht gezeigt) und zwischen den Verbindungsbahnen 28 und der Erregerwicklung (nicht gezeigt) minimal ist.
Wie erwähnt befinden sich bei dieser Ausführungsform auf der gedruckten Leiterplatte 15 zwei Sensorwicklungen mit jeweils zwei Windungen und eine Erregerwicklung. Die Fig. 2c zeigt die gedruckte Leiterplatte 15 mit allen diesen Wicklungen. Die erste Windung 21-I der Sensorwicklung 21 ist dabei durch die Verwendung von dickeren Linien hervorgehoben. Die beiden Windungen der beiden Sensorwicklungen 21 und 27 sind in Umfangsrichtung jeweils um 15º (ein Achtel einer Periode) beabstandet, und die erste Windung 21-1 der Sensorwicklung 21 ist in Umfangsrichtung 30º (ein Viertel einer Periode) von der ersten Windung 27-1 der Sensorwicklung 27 beabstandet. Wie gezeigt ist die zweite Windung 21-2 der Sensorwicklung 21 mit den Verbindungspunkten 23 und 30 über zwei Verbindungsbahnen 32 verbunden, die, wie die Verbindungsbahnen 28, einander auf den entgegengesetzten Seiten der gedruckten Leiterplatte 15 folgen. Gleichermaßen verbinden die Verbindungsbahnen 34 und 36 die Windungen 27-I und 27-2 jeweils mit Verbindungspunkten 31 und 33 bzw. 31 und 35. Auf diese Weise sind die Windungen 21-1 und 21-2 miteinander in Reihe verbunden, und die Windungen 27-1 und 27-2 sind ebenfalls in Reihe verbunden, und die Verbindungsbahnen zu diesen Windungen beeinflussen die magnetische Kopplung zwischen den Sensorwicklungen 21 und 27 und der Erregerwicklung und z wischen den Sensorwicklungen 21 und 27 und dem Resonator nicht.
Die Fig. 2d zeigt die beiden Windungen 21-1 und 21-2, die zusammen die Sensorwicklung 21 bilden, wenn sie längs einer geraden Linie ausgestreckt werden. Wie gezeigt beträgt bei dieser Ausführungsform der Versatz oder der Abstand zwischen den beiden Windungen 15º. Es wird deshalb eine Sensorwicklung mit zwei Windungen verwendet, da diese ein größeres Ausgangssignal abgibt und die räumliche Verzerrung geringer ist. Eine geringere räumliche Verzerrung heißt, daß die räumliche Koppelbeziehung zwischen dem Resonator und den Sensorwicklungen besser sinusförmig ist. Dadurch wird der Sensor genauer. Idealerweise sollte der Spulenversatzwinkel im Bereich eines Sechstels einer Periode (d. h. in dieser Ausführungsform bei 20º) liegen, da dadurch die Hauptkomponente des harmonischen Fehlers unterdrückt wird. Es kann sein, daß der Versatzwinkel für die geringste harmonische Verzerrung nicht genau ein Sechstel der Periode beträgt, er kann experimentell oder durch Modelle bestimmt werden. Bei dieser Ausführungsform wurde ein Spulenversatzwinkel von einem Achtel des Abstandes gewählt, um eine zu große Annäherung der Leiterbahnen durch zu wenig Platz zu vermeiden. (Alternativ können die Positionen der radialen Linien näher am optimalen Sechstel einer Periode versetzt werden, während die platzkritischen Positionen der Kontaktlöcher beibehalten werden. Die obere und untere Lage einer gedruckten Leiterplatte für solche Sensorwicklungen sind in den Fig. 2e und 2f gezeigt.)
Die Fig. 2g zeigt die vier Windungen 21-1, 21-2, 27-1 und 27-2 der Wicklungen, die die beiden Sensorwicklungen 21 und 27 dieser Ausführungsform bilden, wenn sie entlang einer geraden Linie ausgestreckt werden. Wie gezeigt beträgt der Abstand oder der Versatzwinkel zwischen den beiden Sensorwicklungen 21 und 27 30º, was einem Viertel der Periode entspricht. Die von den beiden Sensorwicklungen ausgegebenen Phasen befinden sich daher in einer Phasenquadratur.
Wie in der Fig. 2c gezeigt, erfolgt die Verbindung zwischen den Leiterbahnen, die die Sensorwicklungen 21 und 27 in der oberen und, der unteren Lage der Leiterplatte 15 bilden, durch zwei innere Kreise von Kontaktlöchern 42 und zwei äußere Kreise von Kontaktlöchern 44. Die Fig. 2h zeigt die untere Lage der Leiterbahnen auf der gedruckten Leiterplatte 15 (von der oberen Lage her gesehen). Wie gezeigt liegen die Leiterbahnen zwischen dem inneren Kreis von Kontakten 42, und dem äußeren Kreis von Kontakten 44 alle auf dieser Seite. Wie in der Fig. 2c gezeigt, kann damit die Erregerwicklung 29 auf der Oberseite zwischen dem inneren und dem äußeren Kreis von Kontaktlöchern angeordnet werden, ohne daß sie mit den Sensorwicklungen 21 und 27 kollidiert. Dies ist in der Fig. 21 gezeigt, die die Leiterbahnen zeigt, die auf der Oberseite der gedruckten Leiterplatte 15 ausgebildet werden.
Wie in der Fig. 2c zu sehen, umfaßt die Erregerwicklung 29 sieben konzentrische Schleifen, die von einer doppelt beginnenden Spiralwicklung gebildet werden. Insbesondere erstreckt sich die Erregerwicklung 29 im Gegenuhrzeigersinn in einer ansteigenden Spirale vom Kontaktloch 24 zum Punkt C, wobei die äußere Schleife über die Leiterbahn 38 mit dem Kontaktloch 26 verbunden ist. Am Kontaktloch 26 setzt sich die Erregerwicklung 29 in einer im Gegenuhrzeigersinn ansteigenden Spirale bis zum Punkt D fort. Der Fachmann weiß, daß jede Schleife der Sensorwicklung an die Erregerwicklung 29 ankoppelt. Da jedoch diese Schleife entgegengesetzt gewickelt sind, ist das Signal, das von der Erregerwicklung 29 in einer Schleife induziert wird, dem Signal entgegengesetzt, das in der angrenzenden Schleife induziert wird. Wenn die magnetische Kopplung zwischen der Erregerwicklung 29 und jeder Schleife der Sensorwicklungen 21 und 27 gleich ist, hebt daher jedes Signal, das von der Erregerwicklung in einer Schleife induziert wird, im wesentlichen das Signal auf, das in der danebenliegenden Schleife induziert wird, weshalb es netto nicht zu einer Kopplung zwischen der Erregerwicklung 29 und den Sensorwicklungen 21 und 27 kommt. Wie aus der folgenden Beschreibung noch hervorgeht, kann bei der vorliegenden Ausführungsform jedoch nicht sichergestellt werden, daß die magnetische Kopplung zwischen der Erregerwicklung 29 und jeder Schleife der beiden Sensorwicklungen genau gleich ist. Der Grund dafür sind die Leiterbahnen 40, die die Erregerwicklung 29 mit den Anschlußpunkten 37 und 39 verbinden.
Wie oben erwähnt, sind Verbindungen zu den einzelnen Windungen der Sensorwicklungen erforderlich, wozu Leiterbahnen verwendet werden, die im wesentlichen nicht an den Resonator und die Erregerwicklung 29 ankoppeln. Dies liegt daran, daß die Leiterbahnen einander auf den beiden Seiten der gedruckten Leiterplatte 15 folgen und daß das von der Erregerwicklung und dem Resonator erzeugte Magnetfeld hauptsächlich senkrecht zur Oberfläche der Leiterplatte 15 verläuft. Aus den Fig. 2h und 21 ist zu ersehen, daß es bei dieser Ausführungsform mit einer Leiterplattenkonstruktion mit zwei Lagen jedoch nicht möglich ist, einen ähnlichen Satz von Leiterbahnen zu der Erregerwicklung 29 zu führen, ohne mit den Sensorwicklungen 21 und 27 zu kollidieren. Insbesondere verläuft, wie in der Fig. 2c zu sehen ist, die Leiterbahn 40, die die Erregerwicklung 29 mit den Anschlußpunkten 37 und 39 verbindet, von diesen Punkten auf den beiden Seiten der gedruckten Leiterplatte 15 zum Punkt B, von dem die Leiterbahn auf der Oberseite der gedruckten Leiterplatte 15 nach links verläuft, bis sie die äußere Windung der Erregerwicklung 29 im Punkt D erreicht, und die Leiterbahn auf der Unterseite der gedruckten Leiterplatte 15 verläuft nach rechts und stellt am Kontaktloch 24 die Verbindung mit der inneren Windung der Erregerwicklung 29 her. Diese Divergenz der Wege, die von der Verbindungs-Leiterbahn 40 eingenommen werden, ergibt ein Ungleichgewicht in der Kopplung zwischen der Erregerwicklung 29 und den Schleifen der Sensorwicklungen 21 und 27.
Anhand der Fig. 2j wird nun der Grund für dieses Ungleichgewicht beschrieben. Die Fig. 2j zeigt einen Teil der Erregerwicklung 29 und die erste Windung 21-1 der Sensorwicklung 21. Wie gezeigt befindet sich dort, wo die Leiterbahn 40 am Punkt B divergiert, eine zusätzliche Überlappfläche 43 zwischen der Erregerwicklung 29 und der Schleife 21-1b, verglichen mit zum Beispiel der Überlappfläche zwischen der Erregerwicklung 29 und der Schleife 21-1c. Dieser zusätzliche Überlapp ergibt eine erhöhte magnetische Kopplung zwischen der Erregerwicklung 29 und der Schleife 21-1b gegenüber der magnetischen Kopplung zwischen der Erregerwicklung 29 und der Schleife 21-1c. Ein ähnliches Ungleichgewicht entsteht auch zwischen der Erregerwicklung 29 und der anderen Sensorwicklung 27.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird daher absichtlich ein weiteres Ungleichgewicht hinzugefügt, das dem Ungleichgewicht entgegenwirkt, das von den Verbindungs-Leiterbahnen erzeugt wird. Insbesondere wird durch Erzeugen einer der Fläche 43 ähnlichen Fläche in einer Schleife der Windung 21-1, die einen entgegengesetzten Wicklungssinn aufweist, ein ähnliches Ungleichgewicht erzeugt. Bei dieser Ausführungsform wird dieses absichtliche Ungleichgewicht dadurch erzeugt, daß in der Schleife 21-1e, die von dem durch die Leiterbahnen in der Schleife 21-1b erzeugten Ungleichgewicht 180º beabstandet ist, die zusätzliche Überlappfläche 45 hinzugefügt wird. Der Fachmann erkennt, daß sich dieses absichtliche Ungleichgewicht in jeder der Schleifen 21-1a, 21-1c und 21-1e erzeugen Läßt. Alternativ kann ein kleineres Ungleichgewicht zu jeder dieser Schleifen hinzugefügt werden, um dem Hauptungleichgewicht entgegenzuwirken, das von den Leiterbahnen hervorgerufen wird.
Die Fig. 3a zeigt die obere Lage der gedruckten Resonator-Leiterplatte 9, und die Fig. 3b zeigt die untere Lage der gedruckten Resonator-Leiterplatte 9, gesehen von der oberen Lage. Die gedruckte Leiterplatte 9 besteht aus einer kreisförmigen Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 25 mm mit zwei Ausschnittbereichen 9-a und 9-b, die Sicherungsstifte 52, 54 und 56 aufnehmen, die an der Buchse 11 angebracht sind und die im Gebrauch die Leiterplatte 9 relativ zu der Buchse 11 festhalten. Wie in der Fig. 3a gezeigt, umfaßt die obere Lage der Leiterplatte 9 drei Spulenabschnitte. 53a, 55a und 57a, die in. Umfangsrichtung um 120º beabstandet sind. Gleichermaßen umfaßt die untere Lage der gedruckten Resonator-Leiterplatte 9, wie in der Fig. 3b gezeigt, drei Spulen 53b, 55b und 57b, die ebenfalls in Umfangsrichtung um 120º beabstandet sind, wobei sich die Spüle 53b direkt hinter der Spule 53a befindet, die Spule 55b direkt hinter der Spule 55a und die Spule 57b direkt hinter der Spule 57a. Bei dieser Ausführungsform liegt im Gebrauch die obere Lage der Resonator-Leiterplatte 9 der Sensor-Leiterplatte 15 gegenüber, wobei der Abstand dazwischen etwa 2 mm beträgt.
Die Spulen 53, 55 und 57 sind in Reihe verbunden, und die Enden der Spulen sind mit zwei Kondensatorfassungen 61 und 63 verbunden, die zwei Kondensatoren in Reihe mit den Spulen verbinden, um einen LC-Resonator 50 zu bilden. Das heißt, daß die Leiterbahn von der Kondensatorfassung 61 in der oberen Lage der Resonator-Leiterplatte 9 in einer im Gegenuhrzeigersinn abnehmenden Spirale für die Spule 53a verläuft, bis sie das Kontaktloch 65 erreicht, wo die Bahn zur anderen Seite der Leiterplatte 9 wechselt. Vom Kontaktloch 65 aus erstreckt sich die Leiterbahn in der unteren Lage der Leiterplatte 9 in einer im Gegenuhrzeigersinn ansteigenden Spirale zur Bildung der Spule 53b, bis sie, das Kontaktloch 67 erreicht, an dem die Bahn in die obere Lage der Leiterplatte 9 zurückkehrt. Die Leiterbahn geht dann in einer im Gegenuhrzeigersinn abnehmenden Spirale zur Bildung der Spule 55a weitet, bis sie das Kontaktloch 69 erreicht, an dem sie wieder in die untere Lage der Leiterplatte 9 überwechselt. Die Leiterbahn windet sich vom Kontaktloch 69 in einer im Gegenuhrzeigersinn ansteigenden Spirale zur Bildung der Spule 55b bis zum Kontaktloch 71, an dem sie zur oberen Lage der Leiterplatte zurückkehrt. Vom Kontaktloch 71 windet sich die Leiterbahn in einer im Gegenuhrzeigersinn abnehmenden Spirale zur Bildung der Spule 57a bis zum Kontaktloch 73. Am Kontaktloch 73 kehrt die Leiterbahn in die untere Lage zurück und setzt sich in einer im Gegenuhrzeigersinn ansteigenden Spirale fort, um die Spule 57b zu bilden, bis sie das Kontaktloch 75 erreicht, an dem die Leiterbahn mit der anderen Kondensatorfassung 63 verbunden ist.
Wenn die Leiterplatte 9 drehbar an der Buchse 11 angebracht ist und die Leiterplatte 15 so an der Stützwand 5 befestigt ist, daß der Innenrand 76 der Resonator- Leiterplatte 9 konzentrisch zum Innenrand 16 der Sensor-Leiterplatte 15 ist, liegen die Spulen S3, 55 und 57 der Erregerwicklung 29 und den Sensorwicklungen 21 und 27 gegenüber. Wenn der Erregerwicklung 29 ein Erregerstrom zugeführt wird, koppelt, das von der Erregerwicklung erzeugte Magnetfeld an die Leiterbahnen der Spulen 53, 55 und 57 an, die dem Außenrand der Leiterplatte 9 am nächsten sind, so daß in diesen Spulen eine EMK erzeugt wird. Da die Spulen alle in die gleiche Richtung gewickelt sind, addieren sich die EMKs, und es wird ein Resonatorstrom erzeugt, der durch jede der Spulen S3, 55 und 57 fließt, wodurch ein räumlich gemustertes Resonator-Magnetfeld mit drei Hauptachsen an den Mittelpunkten der Spulen 53, 55 und 57 erzeugt wird. Da der Resonator 50 die gleiche Anzahl von Spulen 53, 55 und 57 aufweist wie es Perioden der Sensorwicklung gibt, und da der Abstand zwischen diesen Spulen einer Periode der Sensorwicklungen entspricht, beeinflussen die Asymmetrien der Erregerwicklung 29 in den Bereichen 43 und 45, die in der Fig. 2h gezeigt sind, die Kopplung zwischen der Erregerwicklung 29 und dem Resonator 50 nicht, und der Resonator bleibt für alle Winkelstellungen der Resonator-Leiterplatte 9 konstant.
Wie der Fachmann weiß, wechselwirkt das vom Resonator erzeugte, räumlich gemusterte Magnetfeld mit den Sensorwicklungen 21 und 27 und erzeugt darin jeweils ein Ausgangssignal, das sich mit der Winkelstellung der Resonator-Leiterplatte 9 verändert. Zum Beispiel befindet sich, wenn sich die Spule 53 über der Schleife 21-1a befindet, die Spule 55 über der Schleife 21-1e und die Spule 57 über der Spule 21-1e: Da jede der Spulen 53, 55 und 57 in die gleiche Richtung gewickelt ist, wird bei der Schwingung des Resonators in jeder dieser drei Spulen 21-1a, 21-1e und 21-1e durch das Magnetfeld, das von den durch diese Spulen fließenden Strom erzeugt wird, eine EMK gleicher Größe und vom gleichen Betrag induziert. Da diese Schleifen der Sensorwicklung 21 in die gleiche Richtung gewickelt sind, addieren sich diese EMKs bei der Erzeugung des Ausgangssignals.
Wenn sich die Resonator-Leiterplatte 9 relativ zur Sensorwicklung so dreht, daß sich die Spulen S3, 55 und 57 zwischen benachbarten Sensorschleifen befinden, heben sich die in den benachbarten Schleifen induzierten EMKs gegenseitig auf, so daß in der Sensorwicklungswindung 21-1 kein resultierendes Ausgangssignal entsteht. Wenn sich die Resonator-Leiterplatte weiter dreht, so daß sich zum Beispiel die Spulen S3, 55 und 57 bei den Schleifen 21-1b, 21-1d und 21-If befinden, so addieren sich die darin induzierten EMKs auf, sind aber hinsichtlich der Gesamt-EMK, die induziert wird, wenn die Resonator-Leiterplatte 9 bei einem Winkel steht, bei dem die Spulen 53, 55 und 57 den Schleifen 21-1a, 21-1c und 21-1e gegenüberliegen, von der entgegengesetzten Polarität.
Wenn sich der Resonator relativ zu den Sensorspulen 21 und 27 dreht, ändern sich daher die darin induzierten Ausgangssignale periodisch mit der Drehung der Resonator-Leiterplatte 9. Da die beiden Sensorwicklungen 21 und 27 in Umfangsrichtung einen Abstand von einem Viertel einer Periode haben, ist die periodische Änderung des in der Sensorwicklung induzierten Signals in Phasenquadratur zu der periodischen Änderung des Signals, das in der anderen Sensorwicklung induziert wird. Im Idealfall ist diese periodische Änderung exakt sinusförmig. In der Regel verzerren jedoch harmonische Änderungen höherer Ordnung die Ausgangssignale. Wie oben erwähnt, ist es bei einer Ausführungsform mit einer Mehrzahl von Sensorwicklungen möglich, den Abstand zwischen den Leiten der verschiedenen Windungen so zu wählen, daß diese harmonischen Verzerrungen · verringert werden. Die Auswirkungen der harmonischen Verzerrungen werden auch geringer, wenn der Abstand zwischen der Resonator-Leiterplatte 9 und der Sensor-Leiterplatte 15 zunimmt. Bei der vorliegenden Ausführungsform können mit einer Vorrichtung von 25 mm Durchmesser und einem Abstand zwischen der Resonator-Leiterplatte 9 und der Sensor-Leiterplatte 15 von 2 mm die meisten harmonischen Verzerrungen vernachlässigt werden.
Die Fig. 4 zeigt die Erregungs- und Verarbeitungsschaltung 101, die zum Erregen der Erregerwicklung 29 und zum Verarbeiten der Signale verwendet wird, die in den Sensorwicklungen 21 und 27 erzeugt werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Erregungs- und Verarbeitungsschaltung 101 auf der Leiterplatte 15 untergebracht und mit der Erregerwicklung 29 an den Verbindungspunkten 37 und 39 sowie mit den Sensorwicklungen 21 und 27 an den Verbindungspunkten 25 und 30 bzw. 33 und 35 verbunden. Wie gezeigt umfaßt die Erregungs- und Verarbeitungsschaltung 101 einen digitalen Wellenformgenerator 103, der von einem Quarzoszillator 105 ein Oszillations-Eingangssignal aufnimmt und der das Erregungssignal abgibt, das über einen Erregungstreiber 107 der Erregerwicklung 29 zugeführt wird.
Bei dieser Ausführungsform ist das Erregungssignal eine Spannung mit quadratischer Wellenform mit einer Fundamentalfrequenz F&sub0; von 1 MHz, die an die Resonanzfrequenz des Resonators 50 angepaßt ist, der sich auf der Resonator-Leiterplatte 9 befindet. Der Erregungsstrom, der in der Erregerwicklung 29 fließt, erzeugt in der Umgebung der Resonator-Leiterplatte 9 ein elektromagnetisches Feld, durch das der Resonator 50 in Resonanz versetzt wird. In Resonanz erzeugt der Resonator 50 sein eigenes magnetisches Feld, das in jeder der Aufnahmewicklungen 21 und. 27 eine EMK induziert, deren Amplitudenwerte ( 21 und 27) sich sinusförmig in Phasenquadratur zu der Drehung des Resonators 50 verändern. Die Art, mit der sich die Amplitudenwerte mit dem Drehwinkel (θ) verändern, ist in der Fig. 5 gezeigt. Wie gezeigt wiederholt sich die sinusförmige Änderung entsprechend der Periode oder dem Abstand der Sensorwicklungen 21 und 27 alle 120º.
Wie in der Fig. 4 gezeigt, werden die in den Sensorwicklungen 21 und 27 induzierten EMKs jeweils einem Mischer 109 bzw. 111 zugeführt. In den Mischern wird den EMKs jeweils eine um 90º phasenverschobene Version des Erregersignals für die Erregerwicklung 29 zugemischt, um die induzierten EMKs zu demodulieren. Die 90º- Phasenverschiebung ist wegen des Betriebs des Resonators 50 in Resonanz erforderlich. Die Ausgangssignale von den Mischern 109 und 111 umfassen jeweils eine Gleichstromkomponente, die dem jeweiligen Amplitudenwert der EMKs entspricht, die in den entsprechenden Sensorwicklungen induziert werden, und zusätzlich dazu sich zeitlich ändernde Hochfrequenzkomponenten.
Die Ausgangssignale von den Mischern werden dann nacheinander über einen Schalter 113 zu einem Tiefpaßfilter 115 geführt, der die sich zeitlich ändernden Hochfrequenzkomponenten entfernt. Die Amplitudenwerte werden anschließend durch einen Analog-Digital-Konverter 117 von einem Analogwert in einen Digitalwert umgewandelt und schließlich zum Mikroprozessor 119 gegeben, der aus den Digitalwerten den Drehwinkel der Resonator-Leiterplatte 9 mittels einer Arcus-Tangens-Funktion bestimmt. (Wie mit den gestrichelten Linien 121 und 123 angedeutet ist, steuert der Mikroprozessor 119 auch den Schaltvorgang am Schalter 115 und die Signale, die vom digitalen Wellenformgenerator 103 erzeugt werden.) Der Fachmann erkennt, daß der Mikroprozessor 119 in der Lage ist, den Drehwinkel der Resonator-Leiterplatte über einen Wellenwinkel von 120º eindeutig zu bestimmen. Dieser Positionsgeber ist daher zum Bestimmen der Winkelstellung einer Drosselklappe in einem Motor geeignet, die sich nur um 90º dreht. Alternativ kann, wenn der Mikroprozessor 119 die Zyklen zählt, die Drehung der Resonator-Leiterplatte 9 kontinuierlich verfolgt werden.
Es wurde ein kurzer Überblick über die Erregungs- und Verarbeitungsschaltung angegeben, die bei der vorliegenden Ausführungsform Verwendung findet. Eine genauere Erläuterung kann zum Beispiel der früheren internationalen Anmeldung WO 95/31696 der Anmelderin entnommen werden. Eine alternative Verarbeitungsschaltung, bei der zur Bestimmung des Drehwinkels keine Arcus-Tangens-Funktion verwendet wird, ist in der früheren internationalen Anmeldung WO 98/00921 der Anmelderin beschrieben.
Die obige Ausführungsform hat gegenüber den bekannten Systemen, die in der Einleitung genannt sind, eine Reihe von wesentlichen Vorteilen. Es sind dies unter anderem:
1) Da die Erregerwicklung über die Schleifen der Sensorwicklung gelegt wird, läßt sich der Platz auf der gedruckten Leiterplatte gut nutzen. Insbesondere können bei einer gegebenen Größe der gedruckten Sensor-Leiterplatte mehr Windungen für die Erregerwicklung vorgesehen werden, wobei die größtmögliche Form der Sensorwicklungsschleifen erhalten bleibt. Bei den bekannten Systemen, bei denen die Erregerwicklung um die Außenseite der Sensorschleifen gewickelt ist, muß, wenn die Anzahl Windungen für die Erregerwicklung erhöht wird, entweder die Breite der gedruckten Sensor-Leiterplatte vergrößert werden, oder es muß die Breite der Sensorwicklungsschleifen verringert werden. Bei manchen Anwendungen ist es nicht möglich, die Größe der Sensor-Leiterplatte zu erhöhen, und ein Verringern der Größe der Sensorwicklungsschleifen setzt die Stärke des Ausgangssignals herab.
(2) Die Verbindungen von den einzelnen Sensorwicklungen zu der Verarbeitungselektronik sind so ausgestaltet, daß (a) keine wesentlichen Störungen in der sinusförmigen Koppelbeziehung zwischen den Sensorwicklungen und dem Resonator entstehen; (b) keine bedeutende Nettokopplung zwischen den Sensorwicklungen und der Erregerwicklung hervorgerufen wird; und (c) die Sensorwicklungen nicht empfänglich werden für elektromagnetische Hintergrundstörungen.
(3) Es ist eine zweilagige gedruckte Leiterplatte vorgesehen, bei der sich die Erregerwicklung innerhalb der Sensorwicklungen befindet und bei der die Erregerwicklung über Leiterbahnen auf der gedruckte Leiterplatte mit der Erregungselektronik verbunden ist, ohne daß eine magnetische Nettokopplung mit einer der Sensorwicklungen erfolgt. Es wird dies dadurch erreicht, daß absichtlich ein Ungleichgewicht hinzugefügt wird, das das Ungleichgewicht ausgleicht, das durch die Verbindungs-Leiterbahnen für die Erregerwicklung erzeugt wird.
(4) Da sich die Anschlußpunkte für die Sensorwicklungen und die Erregerwicklung auf der Außenseite des Leiterbahnmusters befinden, können die Verbindungen auf eine einfache Weise erfolgen.
(5) Da die Schleifenfläche der Sensorwicklungen für eine gegebene Größe der gedruckten Leiterplatte maximal ist, kann die Vorrichtung auch mit größeren Abständen zwischen der Sensor-Leiterplatte 15 und der Resonator-Leiterplatte 9 betrieben werden, da der Signalabfall mit dem Abstand geringer ist. Dies ist besonders dann wichtig, wenn beide Teile einzeln durch Versiegeln gegen Umwelteinflüsse geschützt werden, da größere Abstände dickere Schutzschichten ermöglichen, die im allgemeinen billiger lind leichter zu erzeugen und widerstandsfähiger sind.
(6) Der äußere Radius der Erregerwicklung ist maximal und der innere Radius davon minimal, so daß die Kopplung mit dem Resonator maximal ist. Dies wird bei der vorliegenden Ausführungsform dadurch erreicht, daß (a) die äußere Schleife der Erregerwicklung so nahe wie möglich an den äußeren Kreisen der Kontaktlöcher 44 angeordnet wird; und daß (b) der Radius der inneren Schleife der Erregerwicklung gleich dem Abstand vom Mittelpunkt der Resonator-Leiterplatte 9 vom Mittelpunkt der Resonatorspulen 53, 55 und 57 ist. Der Grund dafür ist, daß die Erregerwicklung hauptsächlich an die Bahnen der Spulen S3, 55 und 57 ankoppelt, die sich am Außenrand der Leiterplatte 9 befinden. Da die Breite der Erregerwicklung zu den inneren Bahnen dieser Spulen hin zunimmt, nimmt die Gesamtkopplung mit der Erregerwicklung ab, da die Kopplung in diesen inneren Bahnen der Kopplung in den äußeren Bahnen entgegengesetzt ist.
(7) Es ist eine Erregerwicklung mit vielen Windungen vorgesehen, wodurch die Induktivität der Erregerwicklung zunimmt, wodurch wiederum (a) übliche Sensor-Versorgungsspannungen verwendet werden können (etwa drei Volt), ohne daß eine Spannungskonversionsschaltung zum Heruntersetzen der Spannung erforderlich ist; und (b) die Verwendung von Halbbrücken- oder Vollbrücken-Schaltverstärkern anstelle von weniger effizienten linearen Leistungsverstärkern zum Verstärken des Ausgangssignals des Signalgenerators vor dem Anlegen an die Erregerwicklung möglich ist.

MODIFIKATIONEN UND ALTERNATIVE AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bei der obigen Ausführungsform wurde eine Erregerwicklung mit vielen Windungen verwendet, bei der alle Windungen in die gleiche Richtung gewickelt waren. Dadurch ergibt sich zwar der Vorteil einer erhöhten Induktivität, diese Ausführung hat jedoch auch den Nachteil, daß es eine Grenze für die Anzahl von Windungen der Erregerwicklung gibt, bis die Kopplung mit dem Resonator wieder abnimmt. Die Fig. 6 zeigt eine alternative Form einer Erregerwicklung 131 mit sechs in Reihe verbundenen Wicklungswindungen, bei denen die äußeren drei Windungen in die eine Richtung gewickelt sind und die inneren drei Windungen in die andere Richtung. Diese Erregerspule hat den Vorteil einer erhöhten magnetischen Kopplung mit dem Resonator, da die äußeren Windungen an die Bahnen am Außenrand der Resonator-Leiterplatte ankoppeln und die inneren Bahnen an die Bahnen am Innenrand der Resonator-Leiterplatte, was sich dann zu der Kopplung an den äußeren Bahnen addiert. Da die Kopplung zwischen dem Resonator und der Erregerwicklung 131 erhöht ist, ergibt sich ein höherer Signalpegel und damit eine verbesserte Genauigkeit und bessere Eigenschaften bezüglich elektromagnetischer Störungen. Die Fig. 6 zeigt auch die inneren und äußeren Kreise von Kontaktlöchern 42 und 44 für die Sensorwicklungen (nicht gezeigt). Auch wenn es in der Fig. 6 nicht dargestellt ist, können die Verbindungsbahnen zwischen der Erregerschaltung und den Enden der Erregerwicklung 131 auf eine ähnliche Weise ausgestaltet werden wie bei der ersten Ausführungsform, so daß zwischen der Erregerwicklung und den Sensorwicklungen keine Kopplung erfolgt.
Ein weiterer Vorteil der in der Fig. 6 gezeigten. Erregerwicklung ist, daß die elektromagnetische Abstrahlung von der Erregerwicklung geringer ist, die andere elektronische Schaltungen stören kann. Außerdem ist es möglich, die Erregerwicklung dadurch im wesentlichen immun gegen elektromagnetische Störungen zu machen, daß die innere Spule mit mehr Windungen versehen wird, so daß die magnetischen Dipole der inneren und der äußeren Spule gleich groß, aber entgegengerichtet sind. Der Nachteil einer solchen Anordnung ist, daß die Erregerwicklung eine geringere Induktivität hat und daher schlechter anzusteuern ist.
Bei der ersten Ausführungsform umfaßte die Erregerwicklung eine Spiralwicklung mit zwei Anfängen. Es ist möglich, das durch die Verbindungs-Leiterbahnen hervorgerufene Ungleichgewicht dadurch auszugleichen, daß in zum Beispiel der inneren Schleife einer Spiralwicklung mit einem einzigen Anfang ein entsprechendes Ungleichgewicht vorgesehen wird. Eine Spiralwicklung mit mehreren Anfängen wird jedoch bevorzugt, da das Ungleichgewicht dann symmetrisch ist, so daß, wenn die Erregungsspannung differentiell über einen Vollbrücken-Schaltkreis an die Erregerwicklung angelegt wird, die Spiralwicklung mit zwei Anfängen die Auswirkungen der kapazitiven Kopplung zwischen der Erregerwicklung und den Sensorwicklungen verringert.
Es wurde erwähnt, daß bei der ersten Ausführungsform zu einigen Schleifen der Sensorwicklung ein Ungleichgewicht hinzugefügt werden kann, um dem Ungleichgewicht entgegenzuwirken, das durch die Verbindungsbahnen erzeugt Wird. Vorzugsweise ist die Anzahl von Spiralanfängen der Erregerwicklung gleich der Anzahl von Ungleichge- wichten (einschließlich des Verbindungsbahn-Ungleichgewichts), so daß die Ungleichgewichte symmetrisch zueinander bleiben:
Beiden obigen Ausführungsformen wurden periodische Sensorwicklungen mit jeweils zwei Windungen mit einer Periode verwendet, die einem Drehwinkel von 120º entspricht. Wie der Fachmann weiß, kann die obige Technik auch bei Ausführungsformen mit einer beliebigen Anzahl von Sensorwicklungen mit einer beliebigen Anzahl von Perioden angewendet werden, die in Umfangsrichtung um die Sensor-Leiterplatte herumgewickelt sind und die eine beliebige Anzahl von Windungen aufweisen. Zum Beispiel können zwei Ein-Perioden-Sensorwicklungen mit jeweils einer Windung vorgesehen werden, die auf der Leiterplatte in Umfangsrichtung um 90º beabstandet sind. Aus den Signalen, die in diesen Sensorwicklungen induziert werden, kann die Position des Resonators eindeutig über 360º bestimmt werden. Sensorwicklungen mit mehreren Windungen werden jedoch wegen der oben genannten Vorteile bevorzugt und sollten immer dann verwendet werden, wenn es der zur Verfügung stehende Platz erlaubt.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen betreffen Drehpositionsgeber. Viele der Merkmale der ersten Ausführungsform gelten jedoch auch für lineare Positionsgeber. Die Fig. 7 zeigt zwei drei periodische Sensorwicklungen 135 und 137 mit jeweils zwei Windungen für 20 mm Rastermaß, bei denen der Abstand zwischen den Windungen in den einzelnen Sensorwicklungen ein Sechstel des Rastermaßes (3,3 mm) und der Abstand zwischen der ersten Windung der Wicklung 135 und der ersten Windung der Wicklung 137 ein Viertel des Rastermaßes (5 mm) ist. Wie bei der ersten Ausführungsform erfolgt die Verbindung der beiden Windungen der einzelnen Sensorwicklungen mittels Verbindungsbahnen 139, 141, 143 und 145 die die sinusförmige Koppelbeziehung zwischen deh Sensorspulen und dem Resonator (nicht gezeigt) nicht stören und die nicht an die Erregerwicklung 147 ankoppeln.
Wie in der Fig. 7 gezeigt, umfaßt die Erregerwicklung 147 bei dieser Ausführungsform viel Windungen von Leiterbahnen, die durch die Mitte der Sensorwicklungsschleifen verlaufen. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die Verbindung mit der Erregerwicklung 147 auch dadurch erfolgen, daß Verbindungs-Leiterbahnen 149 verwendet werden, die einander auf jeder Seite der Sensor-Leiterplatte (nicht gezeigt) folgen und die nicht an die Sensorwicklungen ankoppeln. Es ist daher nicht erforderlich, daß bei dieser Ausführungsform absichtlich ein Ungleichgewicht zwischen der Erregerwicklung 147 und den Sensorwicklungen 135 und 137 vorgesehen wird, um ein Ungleichgewicht auszugleichen, das durch die Verbindungs-Leiterbahnen erzeugt wird. Die Verbindung mit der Erregerspule kann nämlich an deren einem Ende erfolgen. Es kann jedoch auch Anwendungen geben, bei denen dies nicht möglich ist und die Verbindung irgendwo in der Mitte der Sensorwicklungen 135 und 137 erfolgen muß. In diesem Fall wird durch die Verbindungs-Leiterbahn zu der Erregerwicklung 147 ein Ungleichgewicht geschaffen, so daß auf eine ähnliche Weise wie bei der ersten Ausführungsform ein zusätzliches Ungleichgewicht hinzuzufügen ist, um wieder ein Gleichgewicht zu erreichen.
Der Fachmann erkennt, daß die lineare Ausführungsform der Fig. 7 auch viele der Vorteile aufweist, die oben für die rotierende Ausführungsform genannt wurden, einschließlich dem Vorteil, daß die Breite der Sensorspulen für eine gegebene Sensor- Leiterplattenbreite maximal ist, wodurch der Signalpegel ansteigt. Dies ist besonders dann wichtig, wenn die Gesamtbreite des Positionsgebers klein zu halten ist, damit er zum Beispiel in ein Rohr mit einem kleinen Durchmesser paßt.
Die obigen Ausführungsformen wurden anhand von Ausformungen der Sensorwicklungen und der Erregerwicklung auf einer zweilagigen gedruckten Leiterplatte beschrieben. Ähnliche Überlegungen gelten auch für den Fall, daß diese Wicklungen mittels der Dickfilm- oder Dünnschichttechnologie ausgebildet werden, wobei auf einem isolierenden Keramiksubstrat eine erste Läge einer leitenden Schicht aufgebracht wird, gefolgt von einer isolierenden Schicht (die gemustert sein kann, so daß nur Kreuzungspunkte isoliert werden), gefolgt wiederum von einer zweiten leitenden Schicht, um so den Satz von Erregungs- und Sensorwicklungen zu erzeugen.
Bei der obigen Ausführungsform wurde zum Demodulieren der Signale von der jeweiligen Sensorwicklung ein eigener Mischer vorgesehen, und die demodulierten Signale wurden dann über einen Schalter zu einem gemeinsamen Filter und Analog- Digital-Konverter und von dort zum Mikroprozessor geführt. Bei einer alternativen Ausführungsform können für das Ausgangssignal der beiden Mischer jeweils eigene Filter und Analog-Digital-Konverter vorgesehen werden. Auch kann die gesamte Schaltung als digitale ASIC (anwendungsspezifische integrierten Schaltung) ausgeführt werden, wodurch sich die Gesamtkosten und die Komplexität des Designs verringern.
Bei der ersten Ausführungsform wies der Resonator für jede Periode der Sensorwicklung eine Spule auf. Dadurch wurde sichergestellt, daß die Kopplung zwischen dem Resonator und der Erregerwicklung für alle Rotationswinkel der Resonator-Leiterplatte konstant ist. Vorzugsweise ist dies so, es muß jedoch nicht so sein. So ist, wenn die Kopplung zwischen dem Resonator und, der Erregerwicklung mit der Position variiert, diese Variation beiden Signalen gemeinsam, die in den beiden Sensorwicklungen induziert werden, und kann bei der radiometrischen Berechnung im Mikroprozessor entfernt werden. Bei der obigen Ausführungsform würde zum Erzeugen des Magnetfeldes, das sich verändert, wenn sich der Resonator relativ zu den Sensorwicklungen bewegt, ein Resonator verwendet. Einähnliches Magnetfeld kann auch durch andere elektromagnetische Elemente erzeugt werden, etwa mit Ferritpolstückchen oder mit Kurzschlußspulen oder Metallschirmen. Eine Kurzschlußspulen-Ausführung kann von den Spulen 53, 55 und 57 der Fig. 3 Gebrauch machen, wobei jedoch die Endender Spulen in Reihe statt über einen Kondensator verbunden sind. Bei einer Ausführungsform mit einer Kurzschlußspule oder einem Metallschirm wird die Kopplung des magnetischen Flusses zwischen der Erregerwicklung und den Sensorwicklungen durch das Vorhandensein oder die Abwesenheit der Kurzschlußspule oder des Metallschirms gesteuert, und ein sorgfältiges Design des Ortes der Spulen oder Schirme ergibt einen ähnlichen Satz von sinusförmig variierenden Ausgangssignalen an den Sensorwicklungen. Ein solcher Positionsgeber hat den Vorteil, daß er billiger ist als ein Positionsgeber mit einem Resonator. Die Ausführung mit dem Resonator wird jedoch bevorzugt, da dabei die Ausgangssignalpegel viel größer sind, ein Impuls- Echo-Betrieb möglich ist (bei dein ein impulsförmiges Erregungssignal an die Erregerwicklung angelegt wird und die Signale von den Sensorwicklungen erst dann verarbeitet werden, wenn die Impulsfolge beendet ist - dies ist möglich, da der Resonator "nachschwingt, nachdem das Erregungssignal weg ist), und da das Resonatorsignal gegen die Erregungssignale um 90º phasenverschoben ist, wodurch es sich leichter von Erregungs- Durchbruchsignalen trennen läßt.
Bei den obigen Ausführungsformen wird an die Erregerwicklung ein Erregungssignal angelegt, und die Signale, die in den Sensorwicklungen induziert werden, werden dazu verwendet, um die Position des Resonators zu bestimmen. Bei einer alternativen Ausführungsform wird das Erregungssignal nacheinander an die einzelnen Sensorwicklungen angelegt, um den Resonator anzuregen, wobei dann die Signale die Positionsinformation enthalten, die durch den Resonator in der Erregerwicklung induziert werden.
Bei der ersten Ausführungsform erstreckt sich die Erregerwicklung nicht über die Mittelpunkte der Resonatorspulen hinaus, da dadurch die magnetische Kopplung zwischen der Erregerwicklung und dem Resonator geringer wird. Dieser Effekt wird jedoch kleiner, wenn der Abstand zwischen der Sensor-Leiterplatte und der Resonator-Leiterplatte zunimmt. Der Grund dafür ist, daß der effektive. Radius des Feldes der Erregerspule mit zunehmenden Abstand größer wird. Insgesamt ergibt sich eine Verringerung des Dynamikbereiches des Signalpegels, der bei variierendem Abstand aufgenommen wird, was für die Verarbeitungselektronik von Nutzen sein kann, wenn erhebliche Änderungen im Abstand zu erwarten sind. Ein anderer Nutzen dieser Modifikation ist, daß die maximal mögliche Induktivität der Erregerspule größer wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Verwendung in einem Positionsgeber, mit einer Anzahl von ersten Leiterbahnen, die in einer ersten Schicht entlang eines Meßpfads angeordnet sind;

einer Anzahl von zweiten Leiterbahnen, die in einer zweiten Schicht entlang des Meßpfads angeordnet sind;

wobei die ersten und zweiten Leiterbahnen einander überlagern und miteinander verbunden sind, um (i) einen ersten Schaltkreis (21) mit mindestens zwei Schleifen (21-1a, 21-1b) entlang des Meßpfads, wobei die Schleifen in Serie geschaltet sind und so angeordnet sind, daß die durch ein gemeinsames elektromagnetisches Feld in den mindestens zwei Schleifen erzeugten Signale gegeneinander wirken; und (ii) einen zweiten Schaltkreis (29) mit mindestens einer Schleife, die sich entlang des Meßpfads erstreckt, festlegen;

dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen in der ersten Schicht, die einen Teil des ersten Schaltkreises (21) bilden, in ersten und zweiten Gruppen angeordnet sind, die in Querrichtung relativ, zum Meßpfad im Abstand voneinander angeordnet sind;

daß die Leiterbahnen in der zweiten Schicht, die einen Teil des ersten Schaltkreises bilden, so angeordnet sind, daß sie, Leiterbahnen in der ersten Gruppe mit Leiterbahnen in der zweiten Gruppe verbinden; und

daß die Leiterbahn oder -bahnen, die die mindestens eine Schleife des zweiten Schaltkreises (29) bilden, in der ersten Schicht zwischen der ersten und der zweiten Leiterbahngruppe angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Leiterbahnschichten auf jeweils einer Seite eines im wesentlichen ebenen Isolators (15) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten Leiterbahnschichten jeweils auf einer Seite einer gedruckten Leiterplatte (15) ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schleifen des ersten Schaltkreises (21) eine im wesentlichen hexagonale Form aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Leiterbahnschichten mehrere erste Schaltkreise (21, 27) festlegen, die elektrisch voneinander getrennt sind und übereinander angeordnet sind, und wobei mindestens zwei Schleifen des jeweiligen ersten Schaltkreises (21, 27) entlang des Meßpfads räumlich voneinander getrennt sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Schaltkreis (21) eine gerade Anzahl Schleifen aufweist, die hintereinander entlang des Meßpfads angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Schaltkreise (21, 29) so angeordnet sind, daß zwischen ihnen keine nennenswerte elektromagnetische Nettokopplung besteht.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Koppelfläche (45) zwischen einer oder mehreren Schleifen (21-1e) einer Orientierung des ersten Schaltkreises und der mindestens einen Schleife des zweiten Schaltkreises (29) variiert wird, um dem Effekt einer Kopplungsvariation zwischen der mindestens einen Schleife des zweiten Schaltkreises (29) und einer Schleife (21-1b) der anderen Orientierung des ersten Schaltkreises entgegenzuwirken, der durch eine Anordnung von Leiterbahnen (40) bei der mindestens einen Schleife des zweiten Schaltkreises (29) verursacht wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der zweite Schaltkreis (29) mehrere Schleifen einer spiralförmig gewundenen Leiterbahn aufweist, und wobei die Koppelfläche (45) zwischen der mindestens einen Schleife des zweiten Schaltkreises (29) und einer oder mehrerer Schleifen (21-1e) der einen Orientierung des ersten Schaltkreises (21) in der Umgebung des oder jeden Spiralwindungsanfangs variiert wird.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Schaltkreis (29) mehrere Windungen einer spiralförmig gewundenen Leiterbahn aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Schaltkreis (29) mehrere konzentrische Spiralwindungen gleicher Orientierung aufweist, die in Serie geschaltet sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Schaltkreis (131) mindestens eine äußere und eine innere Schleife aufweist, und wobei die inneren und äußeren Schleifen gegenläufig zueinander gewunden sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Meßpfad linear ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Meßpfad kreisförmig ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Leiterbahnschichten so angeordnet sind, daß jede Schleife des ersten Schaltkreises (21) von mehreren Leiterwindungen gebildet wird und wobei die Leiterwindungen in Meßrichtung getrennt sind, um räumliche harmonische Verzerrungen zu reduzieren.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Paar elektrisch getrennter Anschlußbahnen (40) zum ersten Schaltkreis vorgesehen ist, und wobei die eine Verbindungsbahn der anderen in Blickrichtung senkrecht zum Meßpfad überlagert ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die von jeder Schleife des ersten Schaltkreises (21) umschlossene Fläche im wesentlichen gleich ist.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Leiterbahnen einander überlagern und miteinander verbunden sind; um zwei oder mehr erste Schaltkreise (21, 27) festzulegen, und wobei jeweils die Schleifen der ersten Schaltkreise entlang des Meßpfads räumlich voneinander getrennt sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Leiterbahnschichten von auf einem Substrat aufgebrachten Leiterbahnmustern gebildet werden, und wobei eine Isolierschicht zumindest an den Kreuzungspunkten zwischen den leitenden Schichten vorgesehen ist, die die ersten und zweiten Schaltkreise bilden.

20. Vorrichtung zur Verwendung in einem Positionsgeber, mit einer isolierenden Basis (15), die eiste und zweite Flächen festlegt, die sich entlang des Meßpfads erstrecken;

einer Anzahl von ersten Leiterbahnen auf der ersten Fläche entlang des Meßpfads;

einer Anzahl von zweiten Leiterbahnen auf der zweiten Fläche entlang des Meßpfads;

wobei die isolierende Basis (15) eine Anzahl von Kontaktlöchern (144) aufweist; die die Leiterbahnen auf der ersten Fläche mit den Leiterbahnen auf der zweiten Fläche verbinden, wobei die Leiterbahnen auf der ersten Fläche und die Leiterbahnen auf der zweiten Fläche so angeordnet sind, daß sie, wenn sie miteinander über die Kontaktlöcher verbunden sind, (i) einen ersten Schaltkreis (21) mit mindestens zwei Schleifen (21- 1a, 21-1b) entlang des Meßpfads, wobei die Schleifen in Serie geschaltet sind und so angeordnet sind, daß die durch ein gemeinsames, elektromagnetisches Feld in den mindestens zwei Schleifen erzeugten Signale gegeneinander wirken; und (ii) einen zweiten Schaltkreis (29) mit mindestens einer Schleife, die sich entlang des Meßpfads erstreckt, festlegen;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Leiterbahnen auf der ersten Fläche, die einen Teil des ersten Schaltkreises (21) bilden, in ersten und zweiten Gruppen angeordnet sind, die in Querrichtung relativ zum Meßpfad im Abstand voneinander angeordnet sind; daß

die Leiterbahnen auf der zweiten Fläche, die einen Teil des ersten Schaltkreises (21) bilden, so angeordnet sind, daß sie Leiterbahnen in der ersten Gruppe mit Leiterbahnen in der zweiten Gruppe verbinden; und daß

die Leiterbahn oder -bahnen, die die mindestens eine Schleife des zweiten Schaltkreises (29) bilden auf der ersten Fläche zwischen der ersten und der zweiten Gruppe aufgebracht sind.

21. Positionsgeber mit

ersten und zweiten Elementen (15, 9), die entlang eines Meßpfads relativ zueinander bewegbar sind;

wobei das erste Element (15) eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist; und

wobei das zweite Element (9) eine Einrichtung (50) aufweist, die mit den Schaltkreisen (21, 29) der Vorrichtung so zusammenwirkt, daß in Reaktion auf ein Eingangs-Erregungssignal, das an einen der Schaltkreise angelegt wird, in dem anderen Schaltkreis ein Ausgangssignal induziert wird, das als Funktion der relativen Stellung der ersten und zweiten Elemente (15, 9) entlang des Meßpfads zueinander variiert.

22. Geber nach Anspruch 21, wobei die zusammenwirkende Einrichtung (50) einen Elektromagnetfeld-Generator aufweist.

23. Geber nach einem der Ansprüche 21 oder 22, wobei die zusammenwirkende Einrichtung (50) mindestens ein elektromagnetisches Resonanzgerät, eine Kurzschlußspule, einen leitenden Schirm oder ein Ferritpolstück aufweist.

24. Geber nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die zusammenwirkende Einrichtung (50) und die mindestens zwei Schleifen des ersten Schaltkreises (21) so angeordnet sind, daß das Ausgangssignal als Funktion der relativen Stellung der ersten und zweiten Elemente (15, 9) zueinander entlang dem Meßpfad stetig variiert.

25. Gebet nach Anspruch 24, wobei das Ausgangssignal als Funktion der relativen Stellung zwischen der zusammenwirkenden Einrichtung (50) und der mindestens zwei Schleifen zueinander periodisch variiert.

26. Geber nach Anspruch 25, wobei die periodische Variation im wesentlichen sinusförmig verläuft.

27. Geber nach einem der Ansprüche 21 bis 26, mit einer zusätzlichen Erregereinrichtung (107) zum Aufbringen des Eingangserregersignals auf entweder den ersten oder zweiten Schaltkreis (21, 29), und mit einer Verarbeitungseinrichtung (109, 111, 115117, 119), um das im anderen Schaltkreis erzeugte Signal zu verarbeiten und daraus eine Angabe der relativen Stellung der ersten und zweiten Elemente zueinander zu liefern.

28. Geber nach Anspruch 27, wobei die Verarbeitungseinrichtung (109, 111, 115, 117, 119) einen Demodulator aufweist, der auf die Phase des durch die zusammenwirkende Einrichtung (50) mit dem anderen Schaltkreis erzeugten Signals abgestimmt ist.

29. Geber nach Anspruch 28, wobei der Demodulator in Betrieb das Signal unter Verwendung einer um 90º phasenverschobenen Ausgabe des Erregungssignals demoduliert.

30. Geber nach Anspruch 27, 28 oder 29, wobei die Vorrichtung zwei oder mehr erste Schaltkreise (21, 27) aufweist, wobei die Schleifen der jeweiligen ersten Schaltkreise räumlich entlang des Meßpfads voneinander getrennt sind und wobei die Verarbeitungseinrichtung (119) trigonometrische Verhältnisrechnungen mit den in den zwei oder mehreren ersten Schaltkreisen (21, 27) erzeugten Signale durchführen kann.

31. Geber nach einem der Ansprüche 27 bis 30, wobei das im anderen Schaltkreis erzeugte Ausgangssignal sinusförmig als Funktion der relativen Stellung der zusammenwirkenden Einrichtung (50) zu den mindestens zwei Schleifen entlang des Pfads variiert, und wobei eine Periode der sinusförmigen Variation einer Relativbewegung entlang des Meßpfads der Weite zweier in Serie geschalteter Schleifen entspricht.

32. Geber nach einem der Ansprüche 27 bis 31, wobei die ersten und zweiten Schaltkreise (21, 29) auf einer Leiterplatte (15) angebracht sind, und wobei die Erregungseinrichtung (107) und/oder die Verarbeitungseinrichtung (109, 111, 115, 117, 119) auf der Leiterplatte I S angebracht sind/ist.

33. Geber nach einem der Ansprüche 21 bis 32, wobei die ersten und zweiten Schaltkreise (21, 29) auf im wesentlichen ebenen Flächen ausgebildet sind.

34. Geber nach Anspruch 33, wobei die zusammenwirkende Einrichtung (50) eine Spule aufweist, deren Achse im wesentlichen senkrecht zur ebenen Fläche verläuft.

35. Geber nach Anspruch 34, wobei die ersten und zweiten Schaltkreise (21, 29) im wesentlichen in der gleichen Ebene liegen, und wobei die Spule in einer dazu im wesentlichen parallelen Ebene relativ zu den ersten und zweiten Schaltkreisen bewegbar ist.

36. Geber nach einem der Ansprüche 21 bis 35, wobei das erste Element (15) fixiert ist und das zweite Element (9) bezüglich des ersten Elementes beweglich ist.

37. Verfahren zum Erfassen der Stellung von ersten und zweiten Elementen (15, 9), die entlang eines Meßpfads relativ zueinander bewegbar sind, mit folgenden Schritten:

Bereitstellen eines Positionsgebers nach einem der Ansprüche 21 bis 36;

Anlegen eines Erregungssignals an einen der Schaltkreise (21; 29) der Vorrichtung; und

Erfassen des im anderen Schaltkreis (21, 29) erzeugten Signals und daraus Ableiten der relativen Stellung der ersten und zweiten Elemente zueinander.

38. Verfahren nach Anspruch 37, wobei das Erregersignal ein alternierendes Signal mit einer Frequenz im Bereich von 10 kHz bis 10 MHz umfaßt.