DE10044839A1 - Induktiver Positionssensor - Google Patents

Abstract

Der Positionssensor (2) enthält eine über eine Leiterschleifeneinrichtung (4) zu führende, magnetfelderzeugende Feldeinrichtung (7). Die Schleifeneinrichtung (4) weist mindestens eine Spule (4a, 4b) mit sich gegenseitig umschließenden Leiterwindungen (w) und sich von einer Breitseite (b) zu einer Schmalseite (s) verjüngender Außenkontur (a), eine an die Auslenkung (x) der Feldeinrichtung (7) angepasste Ausdehnung sowie eine Abdeckung durch eine weichmagnetische Schicht auf. Es sind Mittel zur Signalauswertung der an der Schleifeneinrichtung gewonnenen, von Änderungen der magnetischen Sättigung abhängigen Signale vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Positionssensor zur berührungs­ losen Erfassung der Position eines ortsveränderlichen Objek­ tes mit einer mit dem Objekt starr verbundenen, ein Magnet­ feld erzeugenden Feldeinrichtung, die

• - eine der Ortsveränderung des Objektes entsprechende Aus­ lenkung aus einer Bezugsposition erfährt und
• - berührungslos über einen weichmagnetischen Körper zu füh­ ren ist, dessen Ausdehnung an die Auslenkung der Feldein­ richtung angepasst ist,

sowie mit einer dem weichmagnetischen Körper zugeordneten Schleifeneinrichtung aus wenigstens einem elektrischen Leiter und mit Mitteln zur Signalauswertung der an der Schleifenein­ richtung gewonnenen, von Änderungen der magnetischen Sätti­ gung des weichmagnetischen Körpers abhängigen Signale.

Ein entsprechender Positionssensor ist aus "Siemens Compo­ nents", Heft 4, 1998, Seiten 18 und 19 bekannt.

Zur Erfassung einer Drehposition oder einer Linearposition eines ortsveränderlichen Objektes sind seit langem Schleifpo­ tentiometer Stand der Technik. Sie sind kostengünstig und die diesbezügliche Technologie ist etabliert. Entsprechende Po­ tentiometer werden z. B. auf dem Gebiet der Unterhaltungs­ elektronik oder dem der Automobiltechnik eingesetzt. Auf letztgenanntem Gebiet sind Anwendungsbeispiele Drosselklap­ pensensoren, Gaspedalsensoren, Bremspedalsensoren oder Posi­ tionssensoren für automatische Getriebe. Für diese Anwen­ dungsbeispiele sind kaum kontaktlose Lösungen für absolute Positions- oder Winkelmessungen aufgrund der hohen Anforde­ rungen wie z. B. bezüglich der Temperatur, Öl, Vibrationen oder niedriger Kosten bekannt.

Aus der DE 197 12 833 A1 ist ein Sensor zur berührungslosen Positionsverfassung eines ortsveränderlichen Objektes zu ent­ nehmen, der eine mit dem Objekt starr verbundene, ein Magnet­ feld erzeugende Feldeinrichtung enthält, die eine der Orts­ veränderung des Objektes entsprechende lineare oder gedrehte Auslenkung aus einer Ausgangslage erfährt. Das von dieser Feldeinrichtung erzeugte Magnetfeld wird von einer magnetore­ sistiven Sensoreinrichtung erfasst, die ein der Auslenkung entsprechendes Spannungssignal verursacht.

Aus der eingangs genannten Veröffentlichung "Siemens Compo­ nents" geht ein sogenannter PLCD (= Permanentmagnetic Linear Contactless Displacement)-Wegsensor hervor, der im wesentli­ chen aus einem speziellen weichmagnetischen Kern (bzw. Kör­ per) besteht, welcher als eine Leiterschleifeneinrichtung ei­ ne Bewicklung nach dem Prinzip eines Differentialtransforma­ tors aufweist. Ein an diesen Aufbau angenäherter Dauermagnet führt zu einer partiellen Sättigung des Kerns. Je nach Posi­ tion der Sättigungszone werden in den beiden Sekundärspulen der Leiterschleifeneinrichtung unterschiedliche Spannungen induziert. Die Spannungsdifferenz ist dann ein Maß für den mechanisch zurückgelegten Weg des Magneten. Die Leiterschlei­ feneinrichtung dieses linearen Positionssensors ist dabei verhältnismäßig voluminös, da ihre Sekundärspulen den weich­ magnetischen Kern an dessen Endseiten umschließen. Außerdem ist ein entsprechender Aufbau zur Erfassung von Dreh- oder Winkelpositionen nur mit hohem Aufwand zu realisieren.

Ein Positionssensor zur berührungslosen Erfassung linearer oder rotatorischer Bewegungen mit einem Differentialtransfor­ mator ist der DE 41 03 603 A1 zu entnehmen. Der Transformator des bekannten Sensors weist mehrere, eine Primär- und eine Sekundärspule bildende Leiterschleifen auf, die beispielswei­ se spiral- oder mäanderförmig gestaltet sind. Für eine Erfas­ sung einer rotatorischen Bewegung können die Spulen auch je­ weils einen Sektor einer Kreisfläche einnehmen. Die Spulen sind gemäß einer speziellen Ausführungsform als Flachspulen einer Messspulenanordnung ausgeführt, zu der sich parallel eine weichmagnetische Folie befindet. Ein über dieser Magnet­ spulenanordnung und der Folie zu führender Steuermagnet, bei­ spielsweise in Form eines Permanentmagneten, bewirkt eine po­ sitionsabhängige, partielle Sättigung der Folie. Diese Sätti­ gung führt zu einer entsprechenden Änderung der Koppelver­ hältnisse zwischen den Transformatorspulen der Messspulenan­ ordnung. Diese Änderung der Koppelverhältnisse wird zur Posi­ tionsbestimmung des Magneten elektronisch ausgewertet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Positionssen­ sor mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszu­ gestalten, dass dessen Aufbau verhältnismäßig einfach ist und er für kleine und große Auslenkungen sowie zur Erfassung von linearen Positionen und Drehpositionen ausgebildet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 an­ gegebenen Maßnahmen gelöst. Hierzu weist der Positionssensor zur Erfassung der Position eines ortsveränderlichen Objektes folgende Merkmale auf, nämlich

• a) eine mit dem Objekt starr verbundene, ein Magnetfeld er­ zeugende Feldeinrichtung, die eine der Ortsveränderung des Objektes entsprechende Auslenkung aus einer Bezugsposition erfährt,
• b) eine Schleifeneinrichtung, die
  • - mindestens eine Spule aus wenigstens einem Leiter mit an die Auslenkung der Feldeinrichtung angepasster Ausdeh­ nung und mit sich gegenseitig umschließenden Windungen mit sich von einer Breitseite zu einer Schmalseite ver­ jüngender Außenkontur aufweist und
  • - auf wenigstens einer Flachseite mit einer weichmagneti­ schen Schicht versehen ist

sowie

• - zugeordnete Mittel zur Messung der magnetischen Induk­ tion der Schleifeneinrichtung, welche von der magnetischen Sättigung der weichmagnetischen Schicht an der Position der berührungslos über dem Aufbau aus der Schicht und der Schleifeneinrichtung zu führenden Feldeinrichtung abhängig ist.

Die mit dieser Ausgestaltung des induktiven Positionssensors verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass wegen einer möglichen Flachbauweise der gegenüber der weich­ magnetischen Schicht isolierten Leiterschleifeneinrichtung ein verhältnismäßig platzsparender Aufbau vorgesehen werden kann. Die magnetfelderzeugende Feldeinrichtung, beispielswei­ se in Form eines Dauermagneten, kann dementsprechend klein ausgeführt werden. Der Aufbau des Positionssensors ist an viele verschiedene Anwendungen sowohl zu einer linearen Posi­ tionserfassung als auch zu einer Drehpositionserfassung platzsparend und dementsprechend kostengünstig anzupassen.

Durch die Feldeinrichtung des erfindungsgemäßen Positionssen­ sors kann auf einfache Weise ein Magnetfeld solcher Stärke erzeugt werden, dass ein zugeordneter Bereich der weichmagne­ tischen Schicht (mit einer Koerzitivfeldstärke von unter 0,1 A/cm) zumindest annähernd in die magnetische Sättigung getrieben wird. Damit ist in Abhängigkeit von der Verjüngung der mindestens einen Spule der Schleifeneinrichtung und somit in Abhängigkeit von der Position der Feldeinrichtung eine eindeutige Änderung der messbaren Induktion der Schleifenein­ richtung auf einfache Weise zu erreichen. Die Verjüngung ist deshalb vorzugsweise kontinuierlich. Die Messung der Indukti­ on erfolgt dabei auf an sich bekanntem Wege mit dementspre­ chenden Messmitteln.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Positions­ sensors gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Auf eini­ ge dieser Ausgestaltungen wird nachfolgend eingegangen:

So kann vorteilhaft die wenigstens eine Schleifeneinrichtung zumindest auf ihrer der Feldeinrichtung zugewandten Flachsei­ te eine weichmagnetische Schicht aufweisen. Aufgrund des dann möglichen geringen Abstandes zwischen der weichmagnetischen Schicht und der Feldeinrichtung ist die magnetische Sättigung der weichmagnetischen Schicht entsprechend erleichtert. Es ist jedoch auch möglich, bei Feldeinrichtungen mit hinrei­ chender Feldstärke die weichmagnetische Schicht auf der be­ züglich der Feldeinrichtung abgewandten Seite der Schleifen­ einrichtung anzuordnen.

Ferner lässt sich für die Feldeinrichtung vorteilhaft mindes­ tens ein rein metallischer oder kunststoffgebundener Perma­ nentmagnet oder auch ein entsprechender Elektromagnet vorse­ hen. Die Größe dieser Feldeinrichtungen ist in Abhängigkeit von dem jeweiligen Anwendungsfall in weiten Grenzen wählbar.

Im Hinblick auf eine eindeutige Abhängigkeit des an der Schleifeneinrichtung abzunehmenden Signals von der Position der Feldeinrichtung wird vorteilhaft deren Breite so gewählt, dass sie wenigstens gleich der Ausdehnung der Breitseite der mindestens einen Spule der Schleifeneinrichtung ist. Außerdem wird deshalb vorzugsweise eine sich von der Breitseite zu der Schmalseite kontinuierlich über die Wegstrecke der Feldein­ richtung ändernde Verjüngung vorgesehen.

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Schleifeneinrichtung mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz vorzugsweise zwi­ schen 100 Hz und 10 MHz beaufschlagt wird. Auf diese Weise ist unter Berücksichtigung der Verjüngung der mindestens ei­ nen Spule der Schleifeneinrichtung eine eindeutige Änderung der magnetischen Induktion der Schleifeneinrichtung in Abhän­ gigkeit von der Position der Feldeinrichtung detektierbar.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Schleifeneinrichtung mit zwei einzelnen Spulen vorgesehen wird, deren Verjüngungs­ richtungen entgegengesetzt gerichtet sind. Auf diese Weise ist eine Differenzbildung des Signals möglich, die zu einer Verringerung von Offsetproblemen und Temperaturdriften ge­ nutzt werden kann. Die Auswertung der relativen Induktion der beiden Spulen führt dann vorteilhaft zu einem weitgehend li­ nearen Signal über die Auslenkung.

Im Hinblick auf eine höhere Windungszahl der Schleifenein­ richtung kann diese vorteilhaft in mehreren parallelen Ebenen angeordnete Spulen aufweisen. Diese Spulen werden dann zu ei­ nem Spulensystem mit entsprechender Windungszahl verschaltet.

Dabei können zumindest einige der Spulen auf einer Flachseite eine weichmagnetische Schicht aufweisen. Es entsteht so ein Multilagensystem, das bezüglich der Detektion seiner magneti­ schen Induktion besonders empfindlich ist. Ein solches Multi­ lagensystem ist vorteilhaft auch so aufzubauen, dass jede der Spulen auf einer Flachseite eine weichmagnetische Schicht aufweist und damit eine Grundeinheit gebildet wird. Aus meh­ reren solcher Grundeinheiten kann dann auf einfache Weise ein stapelförmiger Aufbau zu dem Multilagensystem realisiert wer­ den.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten eines erfin­ dungsgemäßen induktiven Positionssensors gehen aus den übri­ gen Unteransprüchen hervor.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele von solchen Positionssensoren sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch nä­ her erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch deren

Fig. 1 und 2 den prinzipiellen Aufbau eines Positionssen­ sors zu einer linearen Positionserfassung in Aufsicht bzw. Seitenansicht,

Fig. 3 den Positionssensor nach Fig. 1 mit einem Magneten in Anfangs- bzw. Endposition,

Fig. 4 einen weiteren Positionssensor zu Vergleichszwecken gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Brückenschaltung mit einem Positionssensor nach Fig. 1 oder Fig. 3,

Fig. 6 den Signalverlauf des Positionssensors nach den Fig. 1 bis 3 sowie

Fig. 7 den prinzipiellen Aufbau eines Positionssensors zur Erfassung einer Drehposition.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile jeweils mit den­ selben Bezugszeichen versehen.

Aus den Fig. 1 und 2 sind die wesentlichen Teile eines Aufbaus ersichtlich, wie er für einen induktiven Positions­ sensor nach der Erfindung zu einer linearen Positionserfas­ sung vorgesehen werden kann. Der allgemein mit 2 bezeichnete Sensor umfasst ein Substrat 3, z. B. in Form einer Leiterplat­ te oder einer Folie. Auf dieses Substrat ist wenigstens eine besondere Leiterschleifeneinrichtung 4 aufgebracht. Diese Schleifeneinrichtung ist vorzugsweise auf ihrer oberen Flach­ seite mit einer Schicht 5 aus einem weichmagnetischen Materi­ al mit einer Koerzitivfeldstärke von im allgemeinen unter 0,1 A/cm und einer vorgegebenen magnetischen Sättigung (bzw. Sättigungsinduktion) abgedeckt. Diese nur aus Fig. 2 er­ sichtliche Schicht, deren Dicke d im allgemeinen zwischen 10 nm und 1 mm liegt, dient generell zur Erhöhung der Indukti­ on der Schleifeneinrichtung. Sie muss aus Gründen einer Ver­ meidung von Kurzschlüssen in der Schleifeneinrichtung selbst­ verständlich gegenüber dieser elektrisch isoliert sein. In Fig. 2 ist deshalb durch eine verstärkte Linie eine entspre­ chende dünne Isolationsschicht 6 z. B. in Form einer Kleberfo­ lie oder -schicht angedeutet.

Der Aufbau aus der Schleifeneinrichtung 4 und der ihr gegen­ über isolierten weichmagnetischen Schicht 5 stellt eine Grundeinheit dar, die gegebenenfalls zu einem Multilagensys­ tem z. B. durch Übereinanderlegen oder durch Stapeln mehrerer solcher Grundeinheiten erweitert werden kann. Dieses Multila­ gensystem weist dann in mehreren parallelen Ebenen liegende Leiterschleifeneinrichtungen und weichmagnetische Schichten auf. Auf diese Weise lässt sich die Induktion des gesamten Schleifeneinrichtungssystems erhöhen. Daneben kann beispiels­ weise auf der Unterseite des Substrates 3 noch mindestens ei­ ne weitere Leiterschleifeneinrichtung angebracht sein, die vorzugsweise ebenfalls mit einer weichmagnetischen Schicht auf ihrer freien Flachseite abgedeckt ist. Es ergibt sich so ein zum Substrat 3 symmetrischer Aufbau. Gegebenenfalls kann aber auch auf die Unterseite nur eine Leiterschleifeneinrich­ tung oder nur eine weichmagnetische Schicht aufgebracht sein.

Die Schleifeneinrichtung 4 weist mindestens eine Spule aus wenigstens einem Schleifenleiter L auf. Sie hat sich gegen­ seitig umschließende, nach Art einer Archimedischen Spirale etwa schneckenhausförmig verlaufende Leiterwindungen w und eine sich von einer Breitseite zu einer Schmalseite verjün­ genden Außenkontur. Ihre äußere Form ist somit etwa keilför­ mig über einen zu messenden Weg x. Durch Verändern oder An­ passen der keilförmigen Spulengeometrie kann vorteilhaft auf die Form bzw. Linearität des Ausgangssignals Einfluss genom­ men werden. Vorteilhaft ändert sich die Außenkontur kontinu­ ierlich zwischen einer Breitseite und einer Schmalseite, um so eine eindeutige Bestimmung der Position x zu erleichtern.

Für einen Brückenaufbau bzw. eine Differenzmessung ist es vorteilhaft, mindestens zwei solcher Spulen vorzusehen, deren Keilform entgegengesetzt ist. Gemäß dem dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel weist die Schleifeneinrichtung 4 zwei entspre­ chende keilförmige Spulen 4a und 4b auf, deren jeweilige Breitseite mit b, Schmalseite mit s und Außenkontur mit a be­ zeichnet sind. Die beiden Spulen sind somit auf dem Substrat 3 derart angeordnet, dass ihre keilförmigen Außenkonturen a bezüglich ihrer Schmalseiten s entgegengerichtet sind und sie gemeinsam eine etwa rechteckige Fläche der Schleifeneinrich­ tung 4 mit einer gemeinsamen Diagonalen belegen. An diese Di­ agonale grenzen die entsprechenden Seitenteile der beiden Spulen unter Einhaltung eines geringen Abstandes an (vgl. Fig. 1). Die lineare, maximale Ausdehnung der Schleifenein­ richtung 4 ist mit 1 bezeichnet; sie entspricht in etwa der entsprechenden Ausdehnung jeder Spule und legt den für eine Positionsbestimmung maximal möglichen Weg x fest. Gegebenen­ falls können aus Auflösungsgründen die äußeren Endbereiche für die Positionsbestimmung ausgespart bleiben.

Oberhalb der weichmagnetischen Schicht 5 befindet sich eine magnetfelderzeugende Feldeinrichtung 7, die mit einem in der Figur nicht dargestellten Objekt starr verbunden ist, dessen lineare Position erfasst werden soll. Die Ortsveränderung dieses Objektes entspricht dann einer Auslenkung der Feldein­ richtung 7 aus einer Bezugsposition oder Ausgangslage. Als magnetfelderzeugende Feldeinrichtung kann insbesondere ein vorzugsweise permanent erregter Magnet beispielsweise in Form eines Dauermagneten vorgesehen sein, dessen Bewegung in der Auslenkungsrichtung x in Fig. 1 durch einen Doppelpfeil an­ gedeutet ist. Für diesen Magneten wird vorteilhaft eine sol­ che Breite B gewählt, dass er über die gesamte Breite der Schleifeneinrichtung 4, die im wesentlichen durch die Breit­ seiten b ihrer Spulen 4a bzw. 4b festgelegt ist, ragt oder zumindest diese Breite hat. Selbstverständlich kann stattdes­ sen auch ein entsprechender Elektromagnet vorgesehen werden. Das Magnetfeld dieses Magneten sollte so groß sein, dass die weichmagnetische Schicht 5 in einem Bereich 5a, der sich un­ mittelbar unterhalb des Magneten befindet (vgl. Fig. 2), magnetisch zumindest annähernd gesättigt wird. Es kommt dabei nicht auf die absolute Größe der Feldstärke an, sondern nur darauf, dass in diesem Bereich die magnetische Sättigung zu­ mindest weitgehend erreicht wird. Somit sind folglich bei dem Aufbau des erfindungsgemäßen Positionssensors vorteilhaft verhältnismäßig große Abstandstoleranzen des Magneten bezüg­ lich der Schleifeneinrichtung möglich.

In dem durch den Magneten 7 gesättigten Bereich 5a der weich­ magnetischen Schicht 5 ist deren Permeabilität deutlich ge­ ringer, beispielsweise etwa 1, als in den danebenliegenden, nicht-gesättigten Bereichen dieser Schicht. Auf diese Weise ändert sich die Induktion der darunterliegenden mindestens einen Spule 4a bzw. 4b. Durch die gewählte Keilform hängt die Änderung der Induktion von der konkreten linearen Position x_m des Magneten ab, der gemäß dem dargestellten Ausführungsbei­ spiel oberhalb der mit der weichmagnetischen Schicht 5 abge­ deckten Schleifeneinrichtung berührungslos unter Einhaltung eines Abstandes bewegt wird.

Fig. 3 zeigt den Positionssensor 2 gemäß Fig. 1 mit dem Magneten 7 als der magnetfelderzeugenden Feldeinrichtung in dessen Anfangsposition a) und dessen Endposition b) oberhalb der Schleifeneinrichtung 4 mit den beiden Spulen 4a und 4b. Wie aus der Figuren deutlich hervorgeht, ist bei der sich verjüngenden Form der beiden Spulen nur ein relativ kleiner Magnet 7 zur Positionserfassung erforderlich, da bei einem Verschieben je nach Position x unterschiedlich große Flächen der jeweiligen Spule 4a bzw. 4b überdeckt werden. Würde man gemäß Fig. 4, für die eine Fig. 3 entsprechende Darstellung gewählt ist, eine Schleifeneinrichtung 14 mit einer Spule 14a vorsehen, deren Außenkontur über die Wegstrecke x gesehen in etwa unverändert bleibt, so müsste ein Magnet 17 gewählt wer­ den, der in etwa so lang ist wie der Weg x, der zwischen ei­ ner Anfangsposition a) und einer Endposition b) zu erfassen ist. Bei Vergleich der Ausführungsformen nach den Fig. 3 und 4 ist der sich mit der verjüngenden Form der Spule(n) verbundene Vorteil ersichtlich, dass bei der erfindungsgemä­ ßen Ausführungsform einerseits die Magnetkosten deutlich re­ duziert werden können, andererseits es oft gar nicht möglich ist, einen so großen Magneten wie nach Fig. 4 zu befestigen, beispielsweise bei einem Einbau in ein Auto-Getriebe. In Fig. 3 ist zwar bei der sich verjüngenden Form stets eine Spu­ leneinrichtung 4 mit einem System aus zwei Spulen 4a und 4b dargestellt; prinzipiell kann aber auch ein System mit nur einer einzigen sich verjüngenden Spule vorgesehen werden. Auch im letzteren Fall wird nur ein verhältnismäßig kleiner Magnet 7 erforderlich.

Mit sich verjüngenden Spulen 4a und 4b einer Spuleneinrich­ tung 4 lassen sich auf sehr einfache Weise platz- und damit kostensparende Brückenschaltungen realisieren.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer solchen Schaltung 20 mit einer nicht näher ausgeführten Ansteuerungselektronik 21 und einer nicht näher ausgeführten Auswertungselektronik 22. Die Brückenschaltung weist eine Wheatstone-Brücke WB auf, die beispielsweise als eine Halbbrücke ausgeführt ist und somit in einem ihrer Brückenzweige zwei Widerstände 23a und 23b be­ sitzt. Der andere Brückenzweig umfasst einen Positionssensor 2 gemäß den Fig. 1 und 3 mit zwei keilförmigen Spulen 4a und 4b. Die Spannungspotentiale an den Abgriffspunkten der Brücke sind mit U1 und U2 bezeichnet.

Selbstverständlich ist auch eine Vollbrücke mit nur sich ver­ jüngenden Sensorspulen als den Brückenelementen möglich. Vor­ teil jeder dieser Brückenschaltungen ist, dass - wie nachfol­ gend noch erläutert wird - ein Ausgangssignal als ein relati­ ves Signal ausgewertet wird, das somit verhältnismäßig unemp­ findlich z. B. gegen Temperaturänderungen oder Änderungen des Abstandes des Magneten gegenüber der Schleifeneinrichtung ist.

Der mit einer Schleifeneinrichtung 4 gemäß den Fig. 1 bis 3 zu gewinnende Signalverlauf in Abhängigkeit von einer Ver­ schiebung bzw. Auslenkung x des Magneten 7 ist in Fig. 3 dargestellt. Als Signal U (in willkürlichen Einheiten) ist hier eine mit der magnetischen Induktion der einzelnen Spulen 4a und 4b korrelierte Messgröße gezeigt, die mit entsprechen­ den signalverarbeitenden Mitteln wie insbesondere einer hier­ für an sich bekannten Elektronik ausgewertet werden kann. Durch die Keilform der einzelnen Spulen 4a und 4b ändert sich deren Induktion (bzw. Induktivität) weitgehend linear über den Verschiebe- oder Auslenkungsweg x des Magneten 7, wobei die Signale U1 bzw. U2 der beiden Spulen 4a und 4b gegenläu­ fig sind. Vorteilhaft wird ein Differenzsignal U2 - U1 der bei­ den Spulen ausgewertet. Man erhält so einerseits ein Signal mit doppeltem Hub verglichen zu einer Einzelspule; zusätzlich minimiert man Einflüsse wie Offsetschwankungen und gegebenen­ falls auch Temperatureinflüsse. Ein eventuell verbleibender Resteinfluss der Temperatur kann auf andere Weise, insbeson­ dere elektronisch kompensiert werden.

Fig. 7 zeigt in Fig. 1 oder Fig. 3 entsprechender Darstel­ lung einen erfindungsgemäßen induktiven Positionssensor 10, mit dem eine Drehposition zu erfassen ist. Gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind hier zwei nur durch ihre jeweilige Außenkontur a veranschaulichte Spulen 11a und 11b einer Schleifeneinrichtung 11 kreisbogenförmig gekrümmt. Diese wiederum keilförmigen, gegeneinander gerich­ teten Spulen decken mindestens einen bogenförmigen Teil eines Kreisringbogens ab. über - oder unterhalb der Schleifenein­ richtung 11 befindet sich eine in der Figur nicht dargestell­ te weichmagnetische Schicht. Bei dem Positionssensor 10 ist dessen als magnetfelderzeugende Feldeinrichtung verwendeter Magnet 12 kreisbogenförmig bezüglich einer Achse 13 auf einem dazu konzentrischen Kreis zu bewegen. Die entsprechende Aus­ lenkung bezüglich einer Ausgangslage ist wiederum mit x be­ zeichnet. Die Signalauswertung erfolgt wie bei dem linearen Positionssensor 2 nach den Fig. 1 und 2.

Abweichend von der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausfüh­ rungsform eines Positionssensors 2 nach der Erfindung kann ein solcher auch mehrere miteinander verbundene Feldeinrich­ tungen wie z. B. Permanentmagnete aufweisen, denen jeweils ei­ ne Schleifeneinrichtung mit mindestens einer Spule und min­ destens eine weichmagnetische Schicht zugeordnet sind.

Außerdem ist es gegebenenfalls auch möglich, dass die weich­ magnetische Schicht z. B. in Form einer Folie oder Platte oder eines Bleches selbst als Substrat bzw. Träger für die mindes­ tens eine Schleifeneinrichtung dient.

Nachfolgend sind Einzelheiten von konkreten Ausführungsformen eines Positionssensors 2 aufgelistet:

Substrat 3

z. B. Platine, Platte oder Folie aus einem nicht-magnetischen Material wie z. B. aus einem Kunststoff, einer Keramik oder aus Silizium.

Spule 4a und/oder 4b der Schleifeneinrichtung 4

Flache Spule, z. B. durch Strukturierung auf Substrat erzeugt wie bei Leiterplatten, z. B. durch Lithographieprozess, Ätzprozess oder durch Fräsen.

Weichmagnetisches Material der Schicht 5

Z. B. weichmagnetisches Blech (z. B. Mumetall, amorphes Band) oder Folie (z. B. Ferritfolie, kunststoffgebundenes weichmagnetisches Mate­ rial) oder als Schicht aus metallischem weich­ magnetischen Material oder aus kunststoffgebun­ denem weichmagnetischen Material auf die Anord­ nung direkt aufgebracht, z. B. durch Drucken.

Induktion der jeweiligen Spule I ~ µ . N²

Demnach sind eine hohe (Anfangs-)Permeabilität µ_A des weichmagnetischen Materials (in der Grö­ ßenordnung von einigen 1000 bis Zig-1000) sowie eine hohe Windungszahl N der Spule vorteilhaft für ein großes Signal. (So hat z. B. Mumetall eine Anfangspermeabilität von 35000 bei 0,4 . 10² A/cm, eine Koerzitivfeldstärke von 0,012 A/cm und eine Sättigungsinduktion von 0,8 T.) Eine hohe Windungszahl lässt sich z. B. durch eine Multilayeranordnung von Substrat und Spulen erzeugen.

Magnetfelderzeugende Feldeinrichtung 7

Z. B. Permanentmagnet, keine besonderen Anforde­ rungen; er soll allerdings auch bei einer Maxi­ maltemperatur sowie bei maximal zulässigem Ab­ stand noch den darunterliegenden weichmagneti­ schen Bereich magnetisch sättigen. Der Magnet muss auf das zu messende bewegliche Teil (Ob­ jekt) montiert werden. Beispiele für Magnetma­ terial (rein metallisch oder kunststoffgebun­ den): Ferrit, AlNiCo, CoCrFe, SmCo, NdFeB.

Zur Auswertung der positionsabhängigen Signale wird die min­ destens eine Spule der Schleifeneinrichtung vorteilhaft mit einer Wechselspannung beaufschlagt. Die Frequenz der Wechsel­ spannung kann je nach Anwendung variieren; sie liegt im all­ gemeinen zwischen 100 Hz und 10 MHz und kann z. B. 10 kHz betragen. Die Induktion der jeweiligen Spule kann dann mit Standardmethoden der Elektronik ausgewertet werden. Dabei ist es sinnvoll, eine Differenz von zwei Spulen auszuwerten. Die­ se Differenz ist im wesentlichen linear abhängig von der Po­ sition der magnetfelderzeugenden Feldeinrichtung. Eine Tempe­ raturabhängigkeit des Signals z. B. durch eine Änderung des Widerstandes der einzelnen Spulen oder durch eine Änderung der Permeabilität des weichmagnetischen Materials muss gege­ benenfalls kompensiert werden. Dies erfolgt in bekannter Wei­ se beispielsweise auf elektronischem Wege, z. B. durch eine weitere Differenzmessungen oder mit Hilfe eines Temperatur­ sensors.

Bei der vorstehenden Darstellung von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Positionssensoren wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit nur auf deren erfindungswesentliche Teile eingegangen. Selbstverständlich erfordern ein konkreter Auf­ bau und ein Einsatz solcher Sensoren, beispielsweise in der Automobiltechnik, insbesondere aus Schutzgründen noch weitere Teile. So sind die Feldeinrichtung und/oder die Schleifenein­ richtung oder deren zugeordnete weichmagnetische Schicht vor­ teilhaft wenigstens teilweise mit Mitteln zu ihrem Schutz insbesondere gegen unerwünschte Einflüsse einer sie umgeben­ den Atmosphäre, die beispielsweise Öl- oder benzinhaltig ist, oder gegen mechanische Beschädigungen versehen. Diese Schutz­ mittel müssen selbstverständlich zumindest im Bereich des Zwischenraumes zwischen der Feldeinrichtung und der Schlei­ feneinrichtung oder deren weichmagnetischer Schicht aus nicht-magnetischem Material bestehen. Die entsprechenden Schutzmittel können beispielsweise zu einem Gehäuse gehören, mit dem die beweglichen Teile wie insbesondere die Feldein­ richtung umschlossen oder abgedichtet ist. Auch die freie Oberfläche der Schleifeneinrichtung oder deren weichmagneti­ scher Schicht können mit einer Schutzschicht überzogen sein oder eine entsprechende zugeordnete Gehäusewand aufweisen. D. h. sowohl die bewegliche Feldeinrichtung als auch die orts­ festen feldsensitiven Teile des erfindungsgemäßen Positions­ sensors können jeweils mit einer Schutzschicht versehen sein oder in einem eigenen Gehäuse angeordnet werden.

Claims (20)

1. Positionssensor (2, 10) zur berührungslosen Erfassung der Position eines ortsveränderlichen Objektes mit

• a) einer mit dem Objekt starr verbundenen, ein Magnetfeld er­ zeugenden Feldeinrichtung (7, 12), die eine der Ortsverän­ derung des Objektes entsprechende Auslenkung (x) aus einer Bezugsposition erfährt,
• b) einer Schleifeneinrichtung (4, 11), die

• - mindestens eine Spule (4a, 4b; 11a, 11b) aus wenigstens einem Leiter (L) mit an die Auslenkung (x) der Feldein­ richtung (7, 12) angepasster Ausdehnung (1) und mit sich gegenseitig umschließenden Windungen (w) mit sich von einer Breitseite (b) zu einer Schmalseite (s) verjüngen­ der Außenkontur (a) aufweist und
• - auf wenigstens einer Flachseite mit einer weichmagneti­ schen Schicht (5) versehen ist

sowie

• a) zugeordneten Mitteln zur Messung der magnetischen Induk­ tion der Schleifeneinrichtung (4, 11), welche von der mag­ netischen Sättigung der weichmagnetischen Schicht (5) an der Position (x_m) der berührungslos über dem Aufbau aus der Schicht und der Schleifeneinrichtung zu führenden Feldeinrichtung abhängig ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine sich zwischen der Breitseite (b) und der Schmal­ seite (s) kontinuierlich verjüngende Außenkontur (a).

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Schleifeneinrichtung (4, 11) zumindest auf ihrer der Feldeinrichtung (7, 12) zugewand­ ten Flachseite eine weichmagnetische Schicht (5) enthält.

4. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine Feldeinrichtung (7, 12) in Form mindestens eines rein metallischen oder kunststoffge­ bundenen Permanentmagneten.

5. Sensor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Magneten, der zumindest eines der Materialien Ferrit, AlNiCo, CoCrFe, SmCo oder NdFeB wenigstens teilweise enthält.

6. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine Breite (B) seiner Feld­ einrichtung (7, 12), die wenigstens gleich der Ausdehnung der Breitseite (b) der mindestens einen Spule (4a, 4b; 11a, 11b) der Schleifeneinrichtung (4, 11) ist.

7. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Schlei­ feneinrichtung (4, 11) mit einem Wechselstrom mit einer Fre­ quenz vorzugsweise zwischen 100 Hz und 10 MHz beaufschlagt ist.

8. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine Schleifeneinrichtung (4, 11) mit zwei Einzelspulen (4a, 4b; 11a, 11b) mit entgegenge­ setzter Verjüngungsrichtung.

9. Sensor nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Differenzbildung der Induktionssignale bezüglich der Einzelspulen (4a, 4b; 11a, 11b).

10. Sensor nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeich­ net durch eine Brückenschaltung (20), die in wenigstens einem Brückenzweig die zwei Einzelspulen (4a, 4b) aufweist.

11. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Schlei­ feneinrichtung in mehreren parallelen Ebenen angeordnete Spu­ len aufweist.

12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zumindest einige der Spulen auf ei­ ner Flachseite eine weichmagnetische Schicht aufweisen.

13. Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, dass jede der Spulen auf einer Flachseite eine weichmagnetische Schicht aufweist und damit eine Grund­ einheit bildet, und dass mehrere solcher Grundeinheiten zu einem Multilagensystem angeordnet sind.

14. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine weichmagnetische Schicht (5) aus einem Material mit einer Koerzitivfeldstärke von un­ ter 0,1 A/cm.

15. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine weichmagnetische Schicht (5) in Form eines Bleches oder einer Folie oder einer Schicht aus einem metallischen oder einem kunststoffgebundenen weich­ magnetischen Material.

16. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch mindestens eine auf einem Substrat (3) ausgebildete Schleifeneinrichtung (4, 11).

17. Sensor nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch ein Substrat (3) in Form einer Platte, einer Platine oder einer Folie aus einem nicht-magnetischen Material.

18. Sensor nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch ein durch die weichmagnetische Schicht gebildetes Sub­ strat.

19. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Feldein­ richtung (7, 12) und/oder die Schleifeneinrichtung (4, 11) oder deren zugeordnete weichmagnetische Schicht (5) mit Schutzmitteln versehen sind/ist.

20. Sensor nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch mindestens eine Schutzschicht oder mindestens ein Ge­ häuse als Schutzmittel.