DE102005007731B4 - Position sensor arrangement - Google Patents

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Abstract

Positionssensoranordnung mit einer auf einer langgestreckten Leiterplattenanordnung (10) angeordneten weichmagnetischen Struktur (12), mit einer eine Erregerspulenanordnung (14) bildenden elektrisch leitfähigen Struktur, mit einer in Wirkverbindung mit der weichmagnetischen Struktur (12) und der Erregerspulenanordnung (14) stehenden Vielzahl von entlang der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung (10) positionierten Sensor-Planarspulen (15) und mit einem entlang der Leiterplattenanordnung (10) bewegbaren Permanentmagneten (11), dessen Position in Längsrichtung der Leiterplattenanordnung (10) erfasst werden soll, wobei die die Erregerspulenanordnung (14) bildende leitfähige Struktur die weichmagnetische Struktur (12) in der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung (10) unter Bildung von wenigstens einer Windung umgreift und wobei im mit einer Erregerspannung beaufschlagten Zustand die weichmagnetische Struktur (12) derart periodisch vormagnetisiert wird, dass die weichmagnetische Struktur (12) jeweils im Bereich des Permanentmagneten (11) in den unlinearen Sättigungsbereich gelangt, und wobei Mittel zur Erfassung des dann erfolgenden Einbruchs der induzierten Spannung der jeweiligen Sensor-Planarspule (15) vorgesehen sind.Position sensor arrangement with a soft magnetic structure (12) arranged on an elongated circuit board arrangement (10), with an electrically conductive structure forming an excitation coil arrangement (14), with a plurality of along in operative connection with the soft magnetic structure (12) and the excitation coil arrangement (14) the longitudinal direction of the printed circuit board arrangement (10) positioned sensor planar coils (15) and with a permanent magnet (11) movable along the printed circuit board arrangement (10), the position of which is to be detected in the longitudinal direction of the printed circuit board arrangement (10), the excitation coil arrangement (14) forming the The conductive structure encompasses the soft magnetic structure (12) in the longitudinal direction of the printed circuit board arrangement (10) with the formation of at least one turn and in which, when an excitation voltage is applied, the soft magnetic structure (12) is periodically premagnetized in such a way that the soft magnetic structure tur (12) reaches the non-linear saturation area in the area of the permanent magnet (11), and means are provided for detecting the then occurring drop in the induced voltage of the respective sensor planar coil (15).

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionssensoranordnung mit Sensor-Planarspulen, die mit einer weichmagnetischen Struktur zusammenwirken, die positionsabhängig durch einen bewegbaren Permanentmagneten in sättigungsnahe, unlineare Bereiche gelangt, was durch eine an der betreffenden Position angeordnete Sensor-Planarspule erfasst werden kann.The invention relates to a position sensor arrangement with sensor planar coils, which interact with a soft magnetic structure, the position-dependent passes through a movable permanent magnet in saturation, non-linear areas, which can be detected by a arranged at the position sensor planar coil.

Eine derartige Positionssensoranordnung ist aus der DE 20009335 U1 bekannt. Bei der bekannten Anordnung wird die Sensor-Planarspule in einen Schwingkreis eingebettet, wobei die Veränderung der Schwingungsfrequenz bei Annäherung des Permanentmagneten zur Positionserfassung ausgewertet wird. Will man die Position über eine längere Bewegungsbahn des Permanentmagneten erfassen, so wären eine Vielzahl von Schwingkreisen und entsprechende Frequenzauswertungsstufen erforderlich. Dies wäre zu kompliziert und teuer, um eine Positionserfassung über eine längere Strecke zu realisieren. Darüber hinaus muss der Permanentmagnet mit einem relativ starken Magnetfeld auf das weichmagnetische Material einwirken, um es in die Sättigung zu bringen, sodass die Entfernung zwischen der Bahn des Permanentmagneten und der Sensor-Planarspule nicht zu groß sein darf, um die gewünschte Wirkung zu erzielen.Such a position sensor arrangement is known from DE 20009335 U1 known. In the known arrangement, the sensor planar coil is embedded in a resonant circuit, wherein the change in the oscillation frequency is evaluated when approaching the permanent magnet for position detection. If you want to detect the position over a longer trajectory of the permanent magnet, so would a variety of resonant circuits and corresponding frequency evaluation stages are required. This would be too complicated and expensive to realize a position detection over a longer distance. In addition, the permanent magnet must act on the soft magnetic material with a relatively strong magnetic field to saturate it, so that the distance between the track of the permanent magnet and the sensor planar coil must not be too large to achieve the desired effect.

Aus der DE 4311973 A1 ist eine magnetoinduktive Sensorzeile für eine magnetische Positions- und/oder Wegbestimmung eines der Sensorzeile benachbarten Permanentmagneten oder Elektromagneten bekannt. Die Sensorzeile umfasst eine flächige magnetisch leitfähige Schicht, die mittels des Magneten in die magnetische Sättigung versetzbar ist. Dabei sind auf der flächigen Schicht nebeneinander und/oder übereinander angeordnete Spulen aufgebracht deren Windungen in flächiger Konfiguration wenigstens in einer Ebene nebeneinanderliegen. Der Magnet ist über die Spulen längs der Schicht bewegbar, wobei zwei benachbarte Spulen ein Sender-Empfängersystem bilden und die Sendespulen mit einer Wechselspannung oder Impulsen beaufschlagt werden, deren induzierte Spannung in den Empfängerspulen gemessen wird.From the DE 4311973 A1 is a magneto-inductive sensor line for a magnetic position and / or Wegbestimmung a sensor line adjacent permanent magnet or electromagnet known. The sensor line comprises a planar magnetically conductive layer, which can be set into magnetic saturation by means of the magnet. In this case, juxtaposed and / or superposed coils are applied to the sheet-like layer whose turns lie in a planar configuration at least in a plane next to each other. The magnet is movable across the coils along the layer, with two adjacent coils forming a transmitter-receiver system, and the transmission coils are supplied with an AC voltage or pulses whose induced voltage is measured in the receiver coils.

Aus Popovic, Flanagan, Besse „The future of magnetic sensors” (Sensors and Actuators A, 1996, Vol. 56, S. 39–55) sind Magnetfeldmesseinrichtungen bekannt, die ebenfalls auf der Kombination eines magnetischen Erregermittels mit einem magnetischen Detektormittel beruhen, wobei es sich bei dem Erregermittel und bei dem Detektormittel jeweils um Spulen handelt kann, die makroskopisch als um einen gemeinsamen Ferritkern gewickelte Drahtspulen oder miniaturisiert als Schichtstruktur auf einer Leiterplatte ausgebildet sein können.From Popovic, Flanagan, Besse "The future of magnetic sensors" (1996, Vol. 56, pp. 39-55) magnetic field measuring devices are known, which are also based on the combination of a magnetic excitation means with a magnetic detection means, the excitation means and the detector means may each be coils which may be formed macroscopically as wire coils wound around a common ferrite core or miniaturized as a layer structure on a printed circuit board.

Haba et. al. „Optimization of a ferromagnetic displacement sensor” (Sensors and Actuators A, 1997, Vol. 59, S. 136–141) offenbaren die Optimierung einer Magnetfeldmesseinrichtung auf Basis einer FEM-Analyse durch Variation der verwendeten Materialien.Haba et. al. "Optimization of a ferromagnetic displacement sensor" (1997, Vol. 59, pp. 136-141) discloses the optimization of a magnetic field measuring device based on FEM analysis by varying the materials used.

Die DE 19711781 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Positionserfassung eines beweglich angeordneten Magneten zum Erzeugen eines magnetischen Feldes durch eine Wandung aus ferromagnetischem Material hindurch mit einem hinter einer aus einem ferromagnetisch leitenden Material bestehenden Gehäusewand bewegbaren Stellglied. Dabei ist vorgesehen, dass sich vor der Wandung ein Magnetfeldsensor befindet und der Magnet einen innerhalb der Wandung verlaufenden Hauptfluss bewirkt, der in der Wandung eine magnetische Remanenz ausbildet, die nach Vorbeifahrt des Magneten erhalten bleibt und die entlang der Bewegungsachse des Magneten entsprechend der Polung des Magneten gerichtet ist. Zudem bewirkt der Magnet einen Streufluss ausserhalb der Gehäusewand, der in entgegengesetzter Richtung wie der Hauptfluss gerichtet ist. Der Magnetfeldsensor ist ein Magnetfeldsensorelement, das im geringen Abstand zur Wandung angeordnet ist und das die Feldrichtung des Streuflusses erfasst, wobei bei Vorbeifahrt des Magneten das Streufeld durch das magnetische Feld des Magneten überlagert wird und die Änderung der Polarität des magnetischen Feldes registriert.The DE 19711781 A1 discloses a device for detecting the position of a movably arranged magnet for generating a magnetic field through a wall of ferromagnetic material through with an actuator movable behind a housing wall made of a ferromagnetic conductive material. It is provided that in front of the wall, a magnetic field sensor is located and the magnet causes a running within the wall main flow, which forms a magnetic remanence in the wall, which is maintained after passing the magnet and along the axis of movement of the magnet according to the polarity of Magnet is directed. In addition, the magnet causes a stray flux outside the housing wall, which is directed in the opposite direction as the main flow. The magnetic field sensor is a magnetic field sensor element that is located at a small distance from the wall and that detects the field direction of the leakage flux, the stray field being superimposed by the magnetic field of the magnet as the magnet passes by and registering the change in the polarity of the magnetic field.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Positionssensoranordnung dieser Art zu schaffen, die auch über eine längere Bewegungsbahn des Permanentmagneten dessen Position auf einfache und kostengünstige Weise erfassen kann, wobei eine hohe Empfindlichkeit erreicht wird.An object of the present invention is to provide a position sensor arrangement of this kind, which can detect its position in a simple and cost-effective manner over a longer trajectory of the permanent magnet, wherein a high sensitivity is achieved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Positionssensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a position sensor arrangement with the features of claim 1.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen insbesondere darin, dass eine sehr hohe Empfindlichkeit erreicht wird. Dazu wird durch eine Erregerspulenanordnung das weichmagnetische Material periodisch in die Nähe des unlinearen Bereichs gebracht, sodass dieses bereits bei einer relativ geringen Feldstärke durch den Permanentmagneten in sättigungsnahe unlineare Bereiche gelangt. Die Auswertung erfolgt unter Vermeidung einer kostspieligen Frequenzerzeugung und -erfassung in einfacher und kostengünstiger Weise durch Erfassung des Einbruchs der induzierten Spannung in der jeweiligen Sensor-Planarspule, wenn der entsprechende Bereich der magnetischen Struktur in den unlinearen Sättigungsbereich gelangt. Dies führt in Verbindung mit einer entsprechend der zu erfassenden Wegstrecke langen Reihe von Sensor-Planarspulen zu einer sehr exakten und empfindlichen Positionserfassung über diese Strecke. Die Positionserfassung eignet sich dadurch beispielsweise für Linearantriebe, bei denen die Bahn des Permanentmagneten nicht unmittelbar und direkt entlang der Sensor-Planarspulen gelegt werden kann.The advantages of the present invention are in particular that a very high sensitivity is achieved. For this purpose, the soft magnetic material is brought periodically in the vicinity of the non-linear region by an excitation coil arrangement, so that this already passes at a relatively low field strength through the permanent magnet in saturation near unlinear regions. The evaluation is carried out while avoiding costly frequency generation and detection in a simple and cost-effective manner by detecting the break-in of the induced voltage in the respective sensor planar coil when the corresponding region of the magnetic structure enters the non-linear saturation region. This leads in conjunction with a long line of sensor planar coils corresponding to the path to be detected to a very precise and sensitive position detection over this range. The position detection is thus suitable for example for linear drives, in which the path of the permanent magnet can not be placed directly and directly along the sensor planar coils.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Positionssensoranordnung möglich.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of claim 1 position sensor arrangement are possible.

Die weichmagnetische Struktur besteht in vorteilhafter Weise aus sich in der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung erstreckenden Bereichen mit spezifischer magnetischer Leitfähigkeit, wobei es sich vorzugsweise um eine amorphe Struktur handelt. Dies kann durch spezifische Magnetisierungsvorgänge erreicht werden, oder die Bereiche werden durch eine Reihe von Flächenmustern gebildet, insbesondere streifenförmigen, rechteckförmigen, ringförmigen, gekreuzten, kreuzförmigen oder runden Flächenmustern.The soft magnetic structure advantageously consists of regions of specific magnetic conductivity extending in the longitudinal direction of the printed circuit board assembly, which is preferably an amorphous structure. This can be achieved by specific magnetization processes, or the regions are formed by a series of surface patterns, in particular stripe-shaped, rectangular, annular, crossed, cross-shaped or round surface patterns.

Jedem Bereich oder Flächenmuster ist zweckmäßigerweise eine Sensor-Planarspule zugeordnet, die bei Erreichen der Sättigung des jeweiligen Bereichs oder Flächenmusters einen Einbruch der induzierten Spannung erfährt, der als Sensorsignal auswertbar ist.Each area or area pattern is expediently associated with a sensor planar coil which, upon reaching the saturation of the respective area or area pattern, experiences a collapse of the induced voltage, which can be evaluated as a sensor signal.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Leiterplattenanordnung aus mehreren übereinanderliegenden Schichten, wobei eine Schicht die magnetische Struktur trägt oder diese bildet, und wobei zu beiden Seiten dieser Schicht angeordnete Leiterplatten zusammen die Erregerspulenanordnung tragen, wobei die eine Leiterplatte deren wenigstens eine Halbwindung und die andere Leiterplatte deren zugeordnete zweite Halbwindung oder Halbwindungen trägt. Eine weitere Schicht trägt in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Sensor-Planarspulen. Auf diese Weise lässt sich die magnetische Anordnung in einfacher Weise schichtweise aufbauen, was zu einer für die Massenfertigung geeigneten, kostengünstigen, dünnen Leiterplattenanordnung mit nahezu beliebiger Längenausdehnung führt.In a particularly advantageous embodiment, the printed circuit board assembly consists of several superimposed layers, wherein a layer supports or forms the magnetic structure, and arranged on both sides of this layer printed circuit boards together carry the excitation coil assembly, wherein the one circuit board whose at least one half-turn and the other circuit board their assigned second half-turn or half-turns carries. Another layer carries in an advantageous embodiment, the sensor planar coils. In this way, the magnetic arrangement can be built in layers in a simple manner, resulting in a suitable for mass production, inexpensive, thin circuit board assembly with almost any length extension.

Optimale Verhältnisse erreicht man bei einem in der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung magnetisierten Permanentmagneten.Optimum conditions are achieved with a permanent magnet magnetized in the longitudinal direction of the printed circuit board arrangement.

Zur Erfassung der Einbrüche der in den Sensor-Planarspulen induzierten Spannungen dient in vorteilhafter Weise eine Auswerteelektronik zum Messen der Ströme in den Sensor-Planarspulen. Hierzu sind zweckmäßigerweise Strommesswiderstände in Reihe zu den Sensor-Planarspulen geschaltet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung besitzt die Auswerteelektronik Mittel zum sequenziellen Beaufschlagen der Sensor-Planarspulen mit Messspannungen, sodass der Zustand dieser Sensor-Planarspulen sequenziell abgefragt werden kann. Als Mittel hierfür eignet sich insbesondere ein Schieberegister.In order to detect the dips in the voltages induced in the sensor planar coils, evaluation electronics are advantageously used to measure the currents in the sensor planar coils. For this purpose, current measuring resistors are expediently connected in series with the sensor planar coils. In an advantageous embodiment, the transmitter has means for sequentially applying the sensor planar coils with measuring voltages, so that the state of these sensor planar coils can be queried sequentially. As a means for this is particularly suitable a shift register.

In einer praktischen Ausführung ist die Leiterplattenanordnung im Längsschlitz des Gehäuses eines Linearantriebs angeordnet, wobei ein bewegbares Element des Linearantriebs den Permanentmagneten trägt.In a practical embodiment, the printed circuit board assembly is arranged in the longitudinal slot of the housing of a linear drive, wherein a movable element of the linear drive carries the permanent magnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. Show it:

1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Leiterplattenanordnung als Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit einem entlang dieser bewegbaren Permanentmagneten, 1 a schematic perspective view of a printed circuit board assembly as an embodiment of the invention, with a movable along this permanent magnet,

2 eine Teildarstellung des Schichtaufbaus einer solchen Leiterplattenanordnung, 2 a partial view of the layer structure of such a printed circuit board assembly,

3 eine schematische Darstellung der Leiterplattenanordnung zur Erläuterung der magnetischen Wirkung des Permanentmagneten, 3 a schematic representation of the circuit board assembly for explaining the magnetic effect of the permanent magnet,

4 die Anordnung einer solchen Positionssensoranordnung mit einer Leiterplattenanordnung im Längsschlitz des Gehäuses eines Linearantriebs, 4 the arrangement of such a position sensor arrangement with a printed circuit board arrangement in the longitudinal slot of the housing of a linear drive,

5 eine Schaltungsausführung einer Auswerteelektronik und 5 a circuit design of an evaluation and

6 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der in 5 dargestellten Auswerteelektronik. 6 a signal diagram for explaining the operation of in 5 illustrated evaluation.

Die in 1 schematisch dargestellte Positionssensoranordnung besteht im Wesentlichen aus einer langgestreckten, als Leiterplatte ausgebildeten Leiterplattenanordnung 10, an der entlang ein Permanentmagnet 11 linear bewegbar ist. Dieser Permanentmagnet 11 ist in der Längsrichtung der langgestreckten Leiterplattenanordnung 10 magnetisiert.In the 1 schematically shown position sensor arrangement consists essentially of an elongated, designed as a printed circuit board circuit board assembly 10 , along which a permanent magnet 11 is linearly movable. This permanent magnet 11 is in the longitudinal direction of the elongated printed circuit board assembly 10 magnetized.

Auf der Leiterplattenanordnung 10 ist eine weichmagnetische Schicht 12 angeordnet, die aus einer Vielzahl von parallelen streifenförmigen Bereichen 13 besteht, die senkrecht zur Längsrichtung der Leiterplattenanordnung 10 orientiert sind. Bei dieser weichmagnetischen Schicht 12 kann es sich um eine gesputterte, amorphe, nanokristalline oder kristalline Schicht handeln, die beispielsweise durch Ätztechnik oder Stanztechnik in der gewünschten Weise strukturiert ist. Durch die streifenförmigen Bereiche 13 erhält die Struktur eine geometrische Vorzugsrichtung, sodass entsprechend dem Entmagnetisierungsfaktor die Sättigungsfeldstärke entlang der Streifenrichtung (Messrichtung) minimiert ist, das heißt, es wird eine einstellbare Sättigungsfeldstärke erreicht. Die Gestalt der Bereiche zur Erzielung einer geometrischen Vorzugsrichtung ist selbstverständlich nicht auf die Streifenform beschränkt, sondern es können auch andere Strukturen, wie kreisförmige, elliptische, vieleckige, quadratische, ringförmige (rund oder eckig), gekreuzte, kreuzförmige oder unregelmäßige Strukturen, eingesetzt und optimiert werden. Dabei kann es sich auch um eine durchgehende weichmagnetische Schicht 12 handeln, die magnetisch strukturiert ist.On the circuit board assembly 10 is a soft magnetic layer 12 arranged, consisting of a plurality of parallel strip-shaped areas 13 which is perpendicular to the longitudinal direction of the circuit board assembly 10 are oriented. In this soft magnetic layer 12 it may be a sputtered, amorphous, nanocrystalline or crystalline layer, which is patterned in the desired manner, for example by etching or stamping technique. Through the strip-shaped areas 13 the structure is given a preferred geometrical direction, so that according to the demagnetization factor, the saturation field strength along the strip direction (measuring direction) is minimized, that is, it becomes a adjustable saturation field strength achieved. The shape of the regions for obtaining a preferred geometric direction is of course not limited to the strip shape, but other structures, such as circular, elliptical, polygonal, square, annular (round or square), crossed, cross-shaped or irregular structures, can be used and optimized become. It can also be a continuous soft magnetic layer 12 act that is magnetically structured.

Eine Erregerspule 14 umgreift die weichmagnetische Schicht 12 als Ganzes, also in der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung 10. Die Windungen dieser Erregerspule 14 können beispielsweise als Kupfer-Schichtstruktur ausgebildet sein. Selbstverständlich können anstelle der die gesamte weichmagnetische Schicht 12 umgreifenden Erregerspule 14 auch einzelne Erregerspulen treten, die einzelne Bereiche oder mehrere Bereiche zusammengefasst umgreifen. Die Erregerspule 14 oder im Falle mehrerer Erregerspulen diese Erregerspulen werden mit einer Wechselspannung so angesteuert, dass die Bereiche 13 gerade noch nicht magnetisch gesättigt sind bzw. im unlinearen Bereich der Magnetisierungskurve betrieben werden. Jeweils an den Enden der streifenförmigen Bereiche 13 sind als Sensorspulen 15 ausgebildete Planarspulen angeordnet, die ebenfalls beispielsweise als Kupfer-Schichtstruktur ausgebildet sein können. Sie dienen als Pick-up-Spulen bzw. Detektorspulen zur Detektion des jeweiligen magnetischen Streufelds der Bereiche 13 der weichmagnetischen Schicht 12. Dabei können Änderungen dieses magnetischen Streufelds erfasst werden. Wird ein weichmagnetischer Bereich 13 mit einem zusätzlichen Magnetfeld durch den Permanentmagneten 11 beaufschlagt, steuert das Erregerspulenfeld diesen Bereich 13 in die Sättigung. In diesem Moment ändert sich das magnetische Streufeld des entsprechenden Bereichs 13 nicht mehr, was mittels seiner Sensorspule 15 detektiert werden kann. Erfasst wird dabei der Einbruch der induzierten Spannung. Je nachdem, ob die positive oder negative Halbwelle der induzierten Spannung zusammenbricht, kann das Vorzeichen des zu messenden Magnetfelds bestimmt werden. Durch die Orientierung der Bereiche 13 kann der Nulldurchgang des radialen Feldverlaufs des Permanentmagneten und somit die Position desselben absolut bestimmt werden. Dabei wird der Nulldurchgang durch Interpolation von mehreren Sensorspulen 15 mit Hilfe eines Mikrocontrollers ermittelt, was in Verbindung mit 5 noch näher erläutert wird.An excitation coil 14 surrounds the soft magnetic layer 12 as a whole, ie in the longitudinal direction of the printed circuit board assembly 10 , The turns of this exciting coil 14 may be formed, for example, as a copper layer structure. Of course, instead of the entire soft magnetic layer 12 encompassing exciter coil 14 also individual excitation coils occur, which encompass individual areas or multiple areas summarized. The exciter coil 14 or in the case of several excitation coils these excitation coils are driven with an AC voltage so that the areas 13 are not yet magnetically saturated or operated in the non-linear region of the magnetization curve. Each at the ends of the strip-shaped areas 13 are as sensor coils 15 trained planar coils arranged, which may also be formed, for example, as a copper layer structure. They serve as pick-up coils or detector coils for detecting the respective magnetic stray field of the areas 13 the soft magnetic layer 12 , In this case, changes of this magnetic stray field can be detected. Becomes a soft magnetic area 13 with an additional magnetic field through the permanent magnet 11 when applied, the exciting coil field controls this area 13 into saturation. At this moment, the stray magnetic field of the corresponding area changes 13 not anymore, what with his sensor coil 15 can be detected. The collapse of the induced voltage is recorded. Depending on whether the positive or negative half-wave of the induced voltage collapses, the sign of the magnetic field to be measured can be determined. By the orientation of the areas 13 the zero crossing of the radial field profile of the permanent magnet and thus the position thereof can be determined absolutely. The zero crossing is achieved by interpolation of several sensor coils 15 with the help of a microcontroller determines what to do with 5 will be explained in more detail.

Will man radiale und axiale Feldkomponenten fassen, um einen sehr breiten Ansprechbereich zu erreichen, so eignen sich gekreuzte Amorphbandkerne, also kreuzförmig übereinanderliegende Amorphbandkerne oder direkt kreuzförmige Amorphbandkerne. Als besonders geeignet haben sich kreuzförmige Amorphbandkerne erwiesen, da dort besonders wenig Streufelder auftreten. Beide Anordnungen zeichnen sich darüber hinaus durch das Fehlen von Nebenmaxima aus.If one wishes to grasp radial and axial field components in order to achieve a very broad response range, then crossed amorphous band cores, ie crosswise superposed amorphous band cores or directly cross-shaped amorphous band cores, are suitable. Cross-shaped amorphous cores have proven to be particularly suitable because there are very few stray fields. Both arrangements are also characterized by the absence of secondary maxima.

In 2 ist ein konstruktiver Aufbau der Leiterplattenan-Ordnung 10 dargestellt. Die weichmagnetische Schicht 12 ist zwischen zwei Leiterplatten 16, 17 eingebettet, die jeweils an ihrer der weichmagnetischen Schicht 12 zugewandten Seite Halbwindungen der Erregerspule 14 tragen. Die Endbereiche dieser Halbwindungen der Erregerspule 14 werden dann jeweils elektrisch miteinander verbunden, was in der Darstellung gemäß 2 nicht erkennbar ist. Auf diese Weise wird eine die weichmagnetische Schicht 12 umgreifende Erregerspule 14 gebildet. Dabei ist es selbstverständlich auch möglich, dass die weichmagnetische Schicht 12 an einer der beiden Leiterplatten 16, 17 angeordnet ist, wobei sichergestellt sein sollte, dass die Halbwindungen der Erregerspule 14 keinen elektrischen Kontakt mit den streifenförmigen Bereichen 13 der weichmagnetischen Schicht 12 aufweisen. Eine dritte Leiterplatte 18 ist flächig mit der Leiterplatte 17 verbunden und trägt an ihrer der Leiterplatte 17 zugewandten Seite die planaren Sensorspulen 15, die dort so angeordnet sind, dass sie jeweils über den Endbereichen der streifenförmigen Bereiche 13 der weichmagnetischen Schicht 12 zu liegen kommen. Dabei ist es auch möglich, dass beispielsweise beiden Endbereichen der streifenförmigen Bereiche 13 je eine Sensorspule 15 zugeordnet ist.In 2 is a structural design of the printed circuit board order 10 shown. The soft magnetic layer 12 is between two circuit boards 16 . 17 embedded, each at their the soft magnetic layer 12 facing side half turns of the exciter coil 14 wear. The end portions of these half-turns of the exciter coil 14 are then electrically connected to each other, which in the illustration according to 2 is not recognizable. In this way, one becomes the soft magnetic layer 12 encompassing exciter coil 14 educated. It is of course also possible that the soft magnetic layer 12 on one of the two circuit boards 16 . 17 is arranged, it should be ensured that the half turns of the exciter coil 14 no electrical contact with the strip-shaped areas 13 the soft magnetic layer 12 exhibit. A third circuit board 18 is flat with the circuit board 17 connected and carries on her the circuit board 17 facing side of the planar sensor coils 15 which are arranged there so that they respectively above the end portions of the strip-shaped areas 13 the soft magnetic layer 12 to come to rest. It is also possible that, for example, both end portions of the strip-shaped areas 13 one sensor coil each 15 assigned.

In 3 sind die in den den streifenförmigen Bereichen 13 der Leiterplattenanordnung 10 zugeordneten Sensorspulen 15 induzierten Spannungen beim Passieren des Permanentmagneten 11 schematisch dargestellt. Links und rechts der Position des Permanentmagneten 11 erfolgt ein Vorzeichenwechsel der induzierten Spannungen, wobei in der direkten Position des Permanentmagneten 11 ein Nulldurchgang erfolgt. Durch Interpolation von mehreren Sensorspulen 15 kann dadurch die Position des Permanentmagneten 11 sehr exakt erfasst werden.In 3 are those in the strip-shaped areas 13 the circuit board assembly 10 associated sensor coils 15 induced voltages when passing the permanent magnet 11 shown schematically. Left and right of the position of the permanent magnet 11 there is a sign change of the induced voltages, wherein in the direct position of the permanent magnet 11 a zero crossing occurs. By interpolation of several sensor coils 15 This can change the position of the permanent magnet 11 be detected very accurately.

In 4 ist in einer Teildarstellung ein Gehäuse 19 eines Linearantriebs dargestellt. Das bewegbare Glied des Linearantriebs, beispielsweise ein Kolben 20, bewegt sich in einer Zylinderkammer 21 und trägt den Permanentmagneten 11. Das Gehäuse 19 weist in üblicher Weise eine radial nach außen offene Längsnut 22 auf, in die eine die Leiterplattenanordnung 10 tragende Positionssensoranordnung 23 eingesetzt bzw. eingeschoben ist. Die Leiterplattenanordnung 10 ist dabei so angeordnet, dass die streifenförmigen Bereiche 13 radial positioniert sind. Selbstverständlich ist die Anwendung nicht auf Linearantriebe beschränkt, sondern kann überall dort erfolgen, wo die Position eines bewegbaren Glieds, das einen Permanentmagneten trägt, erfasst werden soll.In 4 is in a partial view a housing 19 a linear drive shown. The movable member of the linear actuator, such as a piston 20 , moves in a cylinder chamber 21 and carries the permanent magnet 11 , The housing 19 has in the usual way a radially outwardly open longitudinal groove 22 on, in one of the circuit board assembly 10 supporting position sensor arrangement 23 inserted or inserted. The circuit board assembly 10 is arranged so that the strip-shaped areas 13 are radially positioned. Of course, the application is not limited to linear drives, but can be done anywhere where the position of a movable member carrying a permanent magnet to be detected.

Die in 5 dargestellte Auswerteelektronik weist ein von einem Mikrocontroller 24 gesteuertes Schieberegister 25 auf, an dessen Ausgängen die Sensorspulen 15 angeschlossen sind. Jede Sensorspule 15 ist über einen Strommesswiderstand 26 an Masse bzw. an ein Null-Potential gelegt. Die Verknüpfungspunkte zwischen den Sensorspulen 15 und den Strommesswiderständen 26 sind über Dioden 27 zusammengeführt und an einen Messwiderstand 28 angelegt, dessen Messspannung UA dem Mikrocontroller 24 zur Auswertung zugeführt wird.In the 5 shown evaluation unit has a from a microcontroller 24 controlled shift register 25 on, at whose outputs the sensor coils 15 are connected. Every sensor coil 15 is via a current sense resistor 26 connected to ground or to a zero potential. The connection points between the sensor coils 15 and the current sense resistors 26 are over diodes 27 brought together and to a measuring resistor 28 whose measuring voltage U A is applied to the microcontroller 24 for evaluation is supplied.

Die Wirkungsweise der in 5 dargestellten Auswerteelektronik wird anhand des in 6 dargestellten Signaldiagramms erläutert. Die Sensorspulen 15 werden durch das Schieberegister 25 sequenziell mit einer Messspannung UL bzw. ULi beaufschlagt. Der der induzierten Spannung proportionale Strom wird durch die Strommesswiderstände 26 bzw. den gemeinsamen Messwiderstand 28 erfasst und dem Mikrocontroller 24 zugeführt. Für die an nicht gesättigten magnetischen Bereichen angeordneten Sensorspulen 15 bildet sich dabei eine Dreieckspannung aus. Bei derjenigen Sensorspule 15 bzw. bei denjenigen Sensorspulen 15, bei denen die zugeordneten weichmagnetischen Bereiche 13 in die Sättigung gelangen, bricht die induzierte Spannung ein, sodass der Stromanstieg ab dem Erreichen der Sättigung begrenzt wird. Dies ist an der Position M des Permanentmagneten 11 der Fall. Auf diese Weise kann im Mikrocontroller 24 die Position des Permanentmagneten erfasst werden. Je nach Größe des Magnetfeldes des Permanentmagneten 11 können auch die weichmagnetischen Bereiche 13 benachbarter Sensorspulen 15 mehr oder weniger in die Sättigung gelangen, sodass auch dort der Stromanstieg mehr oder weniger begrenzt wird. Durch Interpolation kann dann die Position des Permanentmagneten besonders exakt erfasst werden.The mode of action of in 5 shown evaluation is based on the in 6 illustrated signal diagram explained. The sensor coils 15 be through the shift register 25 applied sequentially with a measuring voltage U L or U Li . The current proportional to the induced voltage is determined by the current sense resistors 26 or the common measuring resistor 28 captured and the microcontroller 24 fed. For the sensor coils arranged on non-saturated magnetic regions 15 It forms a triangle voltage. In that sensor coil 15 or at those sensor coils 15 in which the associated soft magnetic areas 13 saturation, the induced voltage breaks down, limiting the current increase from saturation. This is at the position M of the permanent magnet 11 the case. That way, in the microcontroller 24 the position of the permanent magnet can be detected. Depending on the size of the magnetic field of the permanent magnet 11 can also be the soft magnetic areas 13 adjacent sensor coils 15 more or less saturated, so that there is more or less limited the current increase. By interpolation, the position of the permanent magnet can be detected very accurately.

Das Schieberegister 25 kann selbstverständlich auch als Funktion im Mikrocontroller 24 enthalten sein, wobei anstelle des Mikrocontrollers auch ein spezifisch ausgestalteter integrierter Schaltkreis treten kann.The shift register 25 Of course, it can also be used as a function in the microcontroller 24 may be contained, wherein instead of the microcontroller also a specifically designed integrated circuit can occur.

Im Ausführungsbeispiel weist die Leiterplattenanordnung 10 eine große Zahl weichmagnetischer Bereiche 13 bzw. Sensorspulen 15 auf. Falls nur ein kleiner Bereich positionsmäßig erfasst werden soll, so reicht selbstverständlich eine wesentlich geringere Zahl aus, beispielsweise nur zwei Sensorspulen 15.In the embodiment, the circuit board assembly 10 a large number of soft magnetic areas 13 or sensor coils 15 on. Of course, if only a small area is to be detected positionally, a considerably smaller number is sufficient, for example only two sensor coils 15 ,

Claims (12)

Positionssensoranordnung mit einer auf einer langgestreckten Leiterplattenanordnung (10) angeordneten weichmagnetischen Struktur (12), mit einer eine Erregerspulenanordnung (14) bildenden elektrisch leitfähigen Struktur, mit einer in Wirkverbindung mit der weichmagnetischen Struktur (12) und der Erregerspulenanordnung (14) stehenden Vielzahl von entlang der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung (10) positionierten Sensor-Planarspulen (15) und mit einem entlang der Leiterplattenanordnung (10) bewegbaren Permanentmagneten (11), dessen Position in Längsrichtung der Leiterplattenanordnung (10) erfasst werden soll, wobei die die Erregerspulenanordnung (14) bildende leitfähige Struktur die weichmagnetische Struktur (12) in der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung (10) unter Bildung von wenigstens einer Windung umgreift und wobei im mit einer Erregerspannung beaufschlagten Zustand die weichmagnetische Struktur (12) derart periodisch vormagnetisiert wird, dass die weichmagnetische Struktur (12) jeweils im Bereich des Permanentmagneten (11) in den unlinearen Sättigungsbereich gelangt, und wobei Mittel zur Erfassung des dann erfolgenden Einbruchs der induzierten Spannung der jeweiligen Sensor-Planarspule (15) vorgesehen sind.Position sensor arrangement with one on an elongate printed circuit board arrangement ( 10 ) arranged soft magnetic structure ( 12 ), with an exciting coil arrangement ( 14 ) electrically conductive structure, with one in operative connection with the soft magnetic structure ( 12 ) and the exciting coil arrangement ( 14 ) standing plurality of along the longitudinal direction of the printed circuit board assembly ( 10 ) positioned sensor planar coils ( 15 ) and with a along the circuit board assembly ( 10 ) movable permanent magnets ( 11 ), whose position in the longitudinal direction of the printed circuit board assembly ( 10 ), wherein the exciting coil arrangement ( 14 ) forming conductive structure the soft magnetic structure ( 12 ) in the longitudinal direction of the printed circuit board assembly ( 10 ) surrounds with the formation of at least one turn and wherein in the state acted upon by an excitation voltage, the soft-magnetic structure ( 12 ) is periodically biased such that the soft magnetic structure ( 12 ) in each case in the region of the permanent magnet ( 11 ), and wherein means for detecting the then occurring voltage drop of the respective sensor planar coil ( 15 ) are provided. Positionssensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weichmagnetische Struktur (12) aus sich in der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung (10) erstreckenden Bereichen (13) mit spezifischer magnetischer Leitfähigkeit besteht, und insbesondere eine amorphe Struktur aufweist.Position sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the soft magnetic structure ( 12 ) in the longitudinal direction of the printed circuit board assembly ( 10 ) ( 13 ) having specific magnetic conductivity, and in particular having an amorphous structure. Positionssensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (13) durch eine Reihe von Flächenmustern gebildet werden, insbesondere streifenförmigen, rechteckförmigen, ringförmigen, gekreuzten, kreuzförmigen oder runden Flächenmustern.Position sensor arrangement according to claim 2, characterized in that the areas ( 13 ) are formed by a series of surface patterns, in particular strip-shaped, rectangular, annular, crossed, cross-shaped or round surface patterns. Positionssensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Bereich (13) oder Flächenmuster eine Sensor-Planarspule (15) zugeordnet ist.Position sensor arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that each area ( 13 ) or surface pattern a sensor planar coil ( 15 ) assigned. Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplattenan-Ordnung (10) aus mehreren übereinanderliegenden Schichten besteht, wobei eine Schicht die weichmagnetische Struktur (12) trägt oder diese bildet, und wobei zu beiden Seiten dieser Schicht angeordnete Leiterplatten (16, 17) zusammen die Erregerspulenanordnung (14) tragen, und wobei die eine Leiterplatte (16) deren wenigstens eine Halbwindung und die andere Leiterplatte (17) deren zugeordnete zweite Halbwindung oder Halbwindungen trägt.Position sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the printed circuit board order ( 10 ) consists of several superimposed layers, wherein one layer of the soft magnetic structure ( 12 ) or forms, and wherein on both sides of this layer arranged printed circuit boards ( 16 . 17 ) together the excitation coil arrangement ( 14 ), and wherein the one printed circuit board ( 16 ) whose at least one half-turn and the other circuit board ( 17 ) carries its associated second half-turn or half turns. Positionssensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Schicht (18) die Sensor-Planarspulen (15) trägt.Position sensor arrangement according to claim 5, characterized in that a further layer ( 18 ) the sensor planar coils ( 15 ) wearing. Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (11) in der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung (10) magnetisiert ist. Position sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the permanent magnet ( 11 ) in the longitudinal direction of the printed circuit board assembly ( 10 ) is magnetized. Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteelektronik (24, 25) zum Messen der Ströme in den Sensor-Planarspulen (15) ausgebildet ist.Position sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that an evaluation electronics ( 24 . 25 ) for measuring the currents in the sensor planar coils ( 15 ) is trained. Positionssensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Strommesswiderstände (26) in Reihe zu den Sensor-Planarspulen (15) geschaltet sind.Position sensor arrangement according to claim 8, characterized in that current sense resistors ( 26 ) in series with the sensor planar coils ( 15 ) are switched. Positionssensoranordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (24, 25) Mittel (25) zum sequenziellen Beaufschlagen der Sensor-Planarspulen (15) mit Messspannungen aufweist.Position sensor arrangement according to claim 8 or 9, characterized in that the evaluation electronics ( 24 . 25 ) Medium ( 25 ) for sequentially applying the sensor planar coils ( 15 ) with measuring voltages. Positionssensoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel (25) wenigstens ein Schieberegister aufweisen.Position sensor arrangement according to claim 10, characterized in that said means ( 25 ) have at least one shift register. Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplattenan-Ordnung (10) in einer Längsnut (22) des Gehäuses (19) eines Linearantriebs angeordnet ist, wobei ein bewegbares Element (20) des Linearantriebs den Permanentmagneten (11) trägt.Position sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the printed circuit board order ( 10 ) in a longitudinal groove ( 22 ) of the housing ( 19 ) is arranged a linear drive, wherein a movable element ( 20 ) of the linear drive the permanent magnet ( 11 ) wearing.
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