Elektrische Weggeberanordnung mit einem als elektrisch leitfähiger und/oder magnetischer oder magnetisierbarer Körper ausgebildeten Schieber, welcher auf vorgegebener Bahn in Magnetfeldern zweier Spulen einer

Differenzialdrosselanordnung verschiebbar ist, und mit einer von der

Differenzialdrosselanordnung in Abhängigkeit vom Maß des Verschiebeweges steuerbaren Weganzeige.

Elektrische Weggeberanordnungen sind in vielfältiger Form bekannt. Bei einer Wegmessung mit Potentiometer wird die Änderung der elektrischen

Spannungsteilung an einem Schiebe- oder Drehwiderstand durch mechanische Verstellung eines Schleifers ausgenutzt.

Darüber hinaus sind induktive Wegmesser bekannt, die nach dem

Differenzialdrosselprinzip arbeiten. Hier wird mittels eines elektrisch leitenden Körpers die Induktivität zweier Spulen verändert, wobei die Spulen derart angeordnet sind, dass bei Bewegung des elektrisch leitenden Körpers die Induktivität der einen Spule erhöht und der anderen Spule vermindert wird.

Beispielsweise können zwei gleichachsig zueinander angeordnete Spulen vorgesehen sein, die mit einem in Längsrichtung der Spulenachsen beweglichen gemeinsamen Anker zusammen wirken. Die beiden Spulen sind in einer

Brückenschaltung angeordnet, die ihrerseits mit einer Wechselspannung ausreichend hoher Frequenz beaufschlagt wird. Bei Verschiebung des Ankers treten dann zwischen den Brückenzweigen vom Verschiebeweg des Ankers abhängige Spannungsdifferenzen auf. Grundsätzlich ist es auch möglich, zwischen den einander zugewandten

Stirnenden zweier gleichachsiger Spulen einen in Richtung der Spulenachsen beweglichen elektrisch leitenden oder magnetischen bzw. magnetisierbaren Körper anzuordnen, so dass bei Bewegungen des Körpers in Richtung der Spulenachse jeweils die Induktivität einer Spule erhöht und der anderen Spule vermindert wird.

Schließlich lässt sich das Differenzialdrosselprinzip auch mit parallel zueinander benachbart angeordneten Spulen verwirklichen, deren Stirnenden jeweils in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Wird ein elektrisch leitender und/oder magnetischer bzw. magnetisierbarer Körper vor den benachbarten (einen) Stirnenden der Spulen auf einer die Spulenachsen durchsetzenden Bahn quer zu den Spulenachsen bewegt, so wird die Induktivität der einen Spule erhöht und der anderen Spule vermindert.

Bei den bisherigen Weggeberanordnungen waren die Messgenauigkeit und/oder der Messbereich unbefriedigend. Hier setzt die Erfindung an.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Weggeberanordnung der eingangs angegebenen Art einen großen Messbereich bei gleichzeitig sehr hoher

Messgenauigkeit zu ermöglichen, wobei des Weiteren eine einfache

Herstellbarkeit gewährleistet sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich ein

geometrischer Wicklungsparameter der Spulen in beiden möglichen

Verschieberichtungen invers und monoton ändert.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Wicklungsformen der Spulen so auszubilden, dass sich ein Formmerkmal in jeder der beiden Verschieberichtungen an einer Spule in einer Weise und an der anderen Spule in entgegengesetzter Weise ändert. Dadurch wird eine besonders ausgeprägte Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Differenzialdrosselanordnung provoziert, so dass eine Weganzeige mit höchster Genauigkeit ermöglicht wird. Da es ohne Weiteres möglich ist, ein Formmerkmal längs einer großen

Wegstrecke zu verändern, kann gleichzeitig ein großer Messbereich

gewährleistet werden.

Gemäß einer ersten Ausführungsform können die Spulen mit zum

Verschiebeweg senkrechten Spulenachsen angeordnet sein und einen keilartigen Querschnitt aufweisen, wobei die Längsrichtungen der Keilquerschnitte der beiden Spulen zueinander antiparallel und parallel zum Verschiebeweg angeordnet sind. Wenn hier der Schieber verstellt wird, überlappt er bei der einen Spule einen zunehmend breiter werdenden Bereich des Wicklungsquerschnittes, während bei der anderen Spule ein zunehmend schmaler werdender Bereich des Wicklungsquerschnittes überlappt wird.

In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung können die Spulenwindungen mit den Keilquerschnitten auf einem Substrat angeordnet sein, d.h. die Spulen sind als flächige Spulen ausgebildet. Dadurch ist eine einfache Herstellung wie bei gedruckten Schaltungen möglich.

Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform besitzen die

Spulenwicklungen jeweils einen streifenförmigen Querschnitt, wobei die

Streifenlänge der jeweils nächstfolgenden Wicklung größer (oder kleiner) bemessen ist als bei der vorangehenden Wicklung. Dabei sind die

Wicklungsabschnitte am einen Streifenende zueinander eng benachbart angeordnet, während die U-förmigen Wicklungsabschnitte am anderen

Streifenende entsprechend den unterschiedlichen Streifenlängen vergleichsweise große Abstände aufweisen. Hier ist also die„Wicklungsdichte" der Spulen vergleichsweise gering. Wenn derartig ausgebildete Spulen mit zueinander parallelen Streifenlängsachsen nebeneinander angeordnet sind, überlappt der Schieber auf seinem Verschiebeweg bei der einen Spule Bereiche mit hoher bzw. zunehmender Wicklungsdichte und auf der anderen Spule Bereiche mit abnehmender Wicklungsdichte.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besitzt die

Differenzialdrosselanordnung im Wesentlichen zwei rohrförmige Spulen mit zueinander parallelen Spulenachsen, wobei die Spulenwicklungen der einen Spule in der einen Richtung eine zunehmende Steigung und bei der anderen Spule in der anderen Richtung eine zunehmende Steigung aufweisen, so dass die„axiale Wicklungsdichte" bei den beiden Spulen in zueinander inversen Richtungen zu- bzw. abnimmt. Wenn nun der Schieber an den beiden Spulen in Spulenlängsrichtung verschoben wird, ergeben sich wiederum ausgeprägt entgegengerichtete Änderungen der elektrischen Eigenschaften der Spulen der Differenzialdrosselanordnung.

Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die

Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders vorteilhaften Ausführungsformen näher beschrieben werden.

Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegeben oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.

In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine schematisierte Draufsicht auf eine erfindungsgemäße

Weggeberanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 einen schematisierten Schaltplan der Weggeberanordnung der

Fig. 1 ,

Fig. 3 Diagramme der an Schaltungspunkten A, B und C anliegenden, bzw. abgreifbaren elektrischen Spannungen,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine gegenüber Fig. 1 abgewandelten

Ausführungsvariante,

Fig. 5 eine schematisierte Draufsicht analog Fig. 1 auf eine weitere

Ausführungsform,

Fig. 6 eine schematisierte Darstellung einer dritten Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 sind auf einem nicht näher dargstellten, elektrisch isolierenden Substrat 10 Leiterbahnen in Form zweier Drosselspulen 1 und 2 angeordnet. Jede der Drosselspulen 1 und 2 hat einen ausgeprägt keilförmigen Querschnitt, wobei die Keilspitze der jeweils einen Drosselspule 1 oder 2 neben dem breiten Ende der jeweils anderen keilförmigen Drosselspule 2 oder 1 angeordnet ist. Die Windungen der Drosselspulen 1 und 2 sind an einem Anschlusspunkt C miteinander elektrisch verbunden, so dass die Drosselspulen 1 und 2 eine elektrische Reihenschaltung bilden, die an Anschlusspunkten A und B in weiter unten dargestellter Weise mit einer Hochfrequenzspannung beaufschlagt werden kann. Dicht oberhalb des die Drosselspulen 1 und 2 tragenden Substrates ist ein im Wesentlichen plattenförmiger Schieber 3 angeordnet, der in Fig. 1 punktiert dargestellt ist und sich in den Pfeilrichtungen P aus der dargestellten Mittellage nach rechts oder links verschieben lässt. Der Schieber 3 besteht aus einem elektrisch leitfähigem Material und kann in Form einer rechteckigen Platte ausgebildet sein.

Alternativ kann der Schieber 3 auch als Doppelplatte mit einer Platte oberhalb und einer Platte unterhalb des die Drosselspulen 1 und 2 tragenden Substrats ausgebildet sein, wobei die beiden Platten an den Rändern des die

Drosselspulen 1 und 2 tragenden Substrats elektrisch leitend miteinander verbunden sein können.

In der dargestellten Mittellage des Schiebers 3 überdeckt dieser gleichartige Querschnittsbereiche der Drosselspulen 1 und 2. Bei Verschiebung aus der Mittellage in einer Richtung wird dagegen ein zunehmend kleinerer

Querschnittsbereich der einen Drosselspule 1 oder 2 und ein zunehmend größerer Querschnittsbereich der anderen Drosselspule 2 oder 1 überdeckt. Dementsprechend verändert der Schieber 3 die Induktivitäten der Drosselspulen 1 und 2 bei Verschiebung aus seiner Mittellage in deutlich unterschiedlicher, d.h. in einander entgegengesetzter Weise.

Dies lässt sich in der nachfolgend dargestellten Weise zur Erzeugung eines den Verschiebeweg des Schiebers 3 wiedergebenden Signals nutzen.

Gemäß Fig. 2 sind die Anschlüsse A und B der von den Drosselspulen 1 und 2 gebildeten Reihenschaltung mit einem Hochfrequenzgenerator 4 verbunden, der die Anschlüsse A und B jeweils mit einer hochfrequenten Rechteck- Wechselspannung beaufschlagt. Dabei ist die am Anschluss B anliegende hochfrequente Rechteckwechselspannung gegenüber der am Anschlusspunkt A anliegenden Rechteckwechselspannung bei gleicher Frequenz, z. Bsp. 50 kHz, um eine halbe Wellenlänge verschoben.

Am Anschlusspunkt C zwischen den Drosselspulen 1 und 2 ist eine ausgeprägt impulsförmige hochfrequente Wechselspannung abgreifbar, deren Frequenz der Frequenz der an den Anschlusspunkten A und B anliegenden hochfrequenten Rechteckwechselspannung entspricht. Wenn der Schieber 3 seine Mittellage einnimmt, haben die positiven und negativen Amplituden der bei C abgreifbaren Wechselspannung gleiche Absolutwerte. Bei Verstellung des Schiebers 3 aus der Mittellage ergeben sich dann stark unterschiedliche Größenverhältnisse.

Messtechnisch ist nun bei der Erfindung vorgesehen, anstelle der messtechnisch wegen ihrer Größe schwer erfassbaren Amplituden der Impulse die

Spannungswerte S _v zu erfassen, die nach einer Verzögerungszeit v nach der jeweiligen Startflanke eines Impulses vorliegen. Indem nun die Differenz zwischen den Spannungswerten S _v von zeitlich aufeinander folgenden Impulsen entgegengesetzter Polarität gebildet wird, wird ein Signal für den Verschiebeweg des Schiebers 3 erzeugt.

Messtechnisch kann dies durch einen bei C eingangsseitig angeschlossenen Analog-Digital-Wandler erfolgen, der zur Erfassung der Startflanken der positiven bzw. negativen Impulse vom HF-Generator 4 Signale erhält, die die Zeitpunkte der Rechteckflanken der hochfrequenten Rechteck-Wechselspannung

wiedergeben. Diese Zeitpunkte entsprechen den Zeitpunkten der Startflanken der Wechselspannungsimpulse am Anschlusspunkt C. Wenn nun der Analog-Digital- Wandler die Spannungswerte S _v jeweils mit vorgegebener Zeitverzögerung nach den Zeitsignalen des HF-Generators 4 für die Rechteckflanken ermittelt und die entsprechenden Differenzen bildet, wird gleichzeitig die Möglichkeit geboten, eine vorgegebene Anzahl nacheinander ermittelter Differenzen einer Mittelwertbildung zu unterziehen. Beispielsweise können bei einer Frequenz des HF-Generators von 50 kHz jeweils 1000 zeitlich aufeinander folgende Differenzwerte für eine Mittelwertbildung herangezogen werden, gleichwohl folgen dann die Mittelwerte noch mit einer Frequenz von 50 Hz aufeinander, so dass Wegänderungen des Schiebers 3 mit entsprechend hoher Signalfrequenz (50 Hz) erfasst werden.

Gemäß Fig. 4 können die Drosselspulen 1 und 2 jeweils auch eine sichelförmige Bogenform aufweisen und auf einem entsprechend bogenförmigen Substrat angeordnet sein. Wenn nun der Schieber 3 auf einer bezüglich des

Krümmungszentrums des bogenförmigen Substrats zentrischen Kreisbahn geführt ist, lassen sich Schwenk- bzw. Drehhübe des Schiebers 3 erfassen. Hinsichtlich der messtechnischen Auswertung ändert sich dabei nichts

gegenüber den vorangehend erläuterten Ausführungen.

Für eine Drehhuberfassung ist es auch möglich, die Differenzialdrosselanordnung der Fig. 1 auf einer gekrümmten Fläche, insbesondere einer Kreiszylinderfläche anzuordnen, wobei die Keilspitzen in zueinander entgegengesetzte

Umfangsrichtungen weisen. Ein zur Umfangsfläche etwa tangentialer Schieber kann dann in den Umfangsrichtungen beweglich angeordnet sein.

Bei einer Anordnung nach Fig. 1 kann gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung vorgesehen sein, die Drosselspulen 1 und 2 auf einem flexiblen Substrat, z.B. einer flexiblen Leiterplatte anzuordnen, die dann (mit den Spulen 1 und 2) längs eingerollt und in ein elektrisch nicht leitendes Rohr eingeschoben wird. Auf diesem Rohr wird dann ein kurzes Rohrstück aus elektrisch leitendem Material verschiebbar angeordnet. Dieses Rohrstück entspricht funktional dem Schieber 3 der Fig. 1 . Wenn nun das elektrisch leitfähige Rohrstück mit einem Schwimmer kombiniert und das elektrisch nicht leitfähige Rohr in einem Tank angeordnet wird, kann die so ausgebildete Anordnung als

Füllstandsmessanordnung genutzt werden. Abweichend von dieser Anordnung ist es auch möglich, die Leiterplatte mit den Drosselspulen 1 , 2 auf der

Außenseite eines elektrisch nicht leitfähigen Stabes anzuordnen, auf dem das elektrisch leitfähige Rohrstück mit seinem Schwimmer verschiebbar geführt ist. Bei allen diesen Anordnungen sind die Drosselspulen 1 , 2 mit ihrem keilförmigen Querschnitt in Längsrichtung des Rohres oder Stabes ausgerichtet, d.h. die Keilspitze ist bei vertikaler Anordnung des Rohres oder Stabes vertikal nach oben oder unten ausgerichtet.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Drosselspulen 1 und 2 sowie der zugehörige Trägerkörper als spritzgegossener Schaltungsträger (moulded interconnected device bzw. MID) ausgebildet sein. Dabei wird zunächst der Trägerkörper, beispielsweise in Form eines wand-, rohr- oder stabförmigen Körpers, aus einem mit Metall dotiertem

Konstruktionskunststoff, insbesondere Konstruktionsthermoplast, hergestellt. Sodann wird auf diesen Körper mittels eines Lasers das Muster der

Drosselspulen aufgetragen, wobei durch die Laserstrahlung an den vom Laser gezeichneten Linien das Dotierungsmetall aktiviert wird, derart, dass das

Kunststoffmaterial an den vom Laser gezeichneten Linien elektrisch leitfähig wird. Sodann wird durch einen galvanischen Prozess an den genannten Linien eine Leiterbahn erzeugt. Soweit der so erzeugte Schaltungsträger in einer

aggressiven Umgebung, beispielsweise in einem Harnstofftank, eingesetzt werden soll, werden die Leiterbahnen noch mit einer Schutzschicht bzw. einem Schutzlack überdeckt.

Der auf diese Weise hergestellte Schaltungsträger der auf seiner Oberfläche die keilförmigen Drosselspulen trägt, wobei die einander entgegengerichteten

Keilspitzen der Drosselspulen jeweils in Längsrichtung des Schaltungsträgers weisen, kann wiederum mit einem auf dem Schaltungsträger verschiebbaren elektrisch leitfähigen Schieber oder Rohrstück kombiniert werden, der bzw. das seinerseits mit einem Schwimmer kombiniert ist, so dass die so erzeugte

Vorrichtung wiederum als Füllstandsmessanordnung genutzt werden kann.

Mit der vorangehend beschriebenen Laser-Direkt-Strukturierung lässt sich die erfindungsgemäße Differentialdrosselanordnung mit zwei flächigen

Drosselspulen auf praktisch beliebigen Trägern in praktisch beliebig vorgebbarer Geometrie anordnen. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, in Abwandlung der Darstellung der Fig. 4 auf einem kreisscheibenförmigen Trägerkörper

entsprechend der Darstellung der Fig. 4 sichelförmige Drosselspulen

anzuordnen, wobei sich jede der sichelförmigen Drosselspulen über annähernd einen vollen Kreisbogen erstreckt.

Wenn eine derartige Anordnung mit einem elektrisch leitenden Schieber kombiniert wird, der auf einer bezüglich des Zentrums der Kreisscheibe zentrischen Bahn beweglich ist, kann die Anordnung zur Erfassung von

Drehstellungen, beispielsweise eines Schrittmotors, eingesetzt werden.

Im Beispiel der Fig. 1 sind die Drosselspulen 1 und 2 jeweils als Flachspulen auf einem Substrat 10 angeordnet. Dies ist zwar produktionstechnisch vorteilhaft, jedoch nicht absolut zwingend. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Spulen 1 und 2 mit ihrem keilförmigen Querschnitt mit axial hintereinander angeordneten Wicklungen auszubilden, wobei die Wicklungen ggf. auf einem Wicklungsträger mit dem Keilquerschnitt entsprechenden Querschnitt angeordnet werden können. Der Schieber 3 ist dann vor den in einer Ebene angeordneten Stirnenden der benachbarten Drosselspulen quer zu den Spulenachsen verschiebbar

angeordnet. Bei der Ausführungsform der Fig. 5 sind die Spulen 1 und 2 wiederum als

Flachspulen auf einem Substrat 10 angeordnet. Abweichend von Fig. 1 besitzen die beiden Spulen 1 und 2 einen streifenförmigen Rechteck- oder

Ovalquerschnitt, wobei die an den Streifenenden angeordneten U-Bögen der Wicklungen einen zunehmend größeren Abstand in Streifenlängsrichtung zueinander haben. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die Streifenlänge des jeweiligen Wicklungsquerschnittes bei aufeinanderfolgenden Wicklungen unterschiedlich ist. Dabei sind die U-Bögen der Wicklungen am einen

Streifenende eng benachbart zueinander angeordnet, während die U-Bögen der Wicklungen an den jeweils anderen Streifenende entsprechend den

unterschiedlichen Streifenlängen vergleichsweise große Abstände voneinander aufweisen.

Bei Verschiebung des Schiebers 3 in einer der möglichen Verschieberichtungen überlappt dieser also bei der einen Spule jeweils Wicklungsquerschnitte am Streifenende mit geringer„Wicklungsdichte", d.h. weit voneinander

beabstandeten U-Bögen aufeinanderfolgender Wicklungen, während bei der anderen Spule Wicklungsabschnitte mit zunehmender Wicklungsdichte überlappt werden.

Bei der Ausführungsform in Fig. 6 sind jeweils rohrförmige Spulen vorgesehen, deren Wicklungen auf einen rohrförmigen Trägerkörper aus elektrisch

isolierendem Material angeordnet sein können. Eine geometrische Besonderheit der Spulen liegt darin, dass die axial Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Wicklungen zum einen axialen Spulenende hin zunehmen. Dabei sind die großen Wicklungsabstände bei der einen Spule am einen axialen Ende und bei der anderen Spule am entgegengesetzten axialen Ende vorgesehen. Bei der im Bild A der Fig. 6 dargestellten Variante sind die beiden Spulen parallel nebeneinander angeordnet. Der Schieber 3 kann als plattenförmiger Körper ausgebildet sein, dessen Plattenebene parallel zu einer die Spulenachsen enthaltenden Ebene liegt. Statt dessen ist auch ein beide Spulen ringförmig umschließender Schieber möglich, beispielsweise mit ovalem Querschnitt.

Bei der im Bild B dargestellten Ausführungsvariante sind die beiden Spulen, elektrisch voneinander isoliert, konzentrisch zueinander angeordnet,

beispielsweise auf einem gemeinsamen rohrförmigen Trägerkörper, wobei die elektrische Isolation zwischen den beiden Spulen durch einen den Spulendraht isolierenden Isolierlack oder dergleichen erfolgen kann. Bei dieser

Ausführungsvariante kann der Schieber 3 durch einen die beiden Spulen umfassenden Ringkörper oder auch durch einen innerhalb des Spulenträgers axial verschiebbaren Körper gebildet werden.

Bei allen dargestellten Ausführungsformen sind die Spulen 1 und 2 elektrisch gemäß Fig. 2 zu der dort dargestellten Differenzialdrosselanordnung verschaltet. Dies bedeutet gleichzeitig, dass die Spulen vom Schaltungspunkt C aus gesehen einen einander entgegengesetzten Windungssinn aufweisen, so dass die Spulen 1 und 2 am Schaltungspunkt C eine entgegengesetzte magnetische Polarität besitzen.

Durch die dargestellten geometrischen Besonderheiten der Spulenwicklungen wird gewährleistet, dass am Schaltungspunkt C in Fig. 2 besonders deutliche Veränderungen des dort auftretenden Spannungsverlaufes vorliegen, wenn der Schieber 3 seine Lage verändert.

Alle Ausführungsformen lassen sich mit der oben beschriebenen Laser-Direkt- Strukturierung auf der jeweiligen Spulenform angepassten Trägern, in der Regel flache oder rohrförmige Substrate, erzeugen.