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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen planaren Direktantrieb (auch
Planarmotor genannt) mit einer verbesserten Positionsbestimmung
sowie eine Sensoreinheit für
diese Positionsbestimmung. Für derartige
Antriebe wird zunehmend das Prinzip der variablen bzw. geschalteten
Reluktanz genutzt. Solche Direktantriebe besitzen eine Passiveinheit
mit einer planen Lauffläche,
in welche Magnetflussbereiche integriert sind. Diese Passiveinheit
bildet den Stator des Motors. Außerdem ist mindestens eine
Aktiveinheit (Läufer)
mit Spulenkörpern
zur Erzeugung eines veränderlichen
Magnetflusses vorgesehen, welche sich auf der Lauffläche der
Passiveinheit bewegen kann. Darüber
hinaus umfasst der Direktantrieb eine Lagereinheit, die reibungsarme
zweidimensionale Bewegungen zwischen Aktiv- und Passiveinheit ermöglicht.
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Aus
der US 2005/0248217 A1 ist ein zweidimensionaler Planar motor bekannt,
bei welchem der Stator als eine Platte mit einer Vielzahl von Eisenzähnen ausgeführt ist.
Die Eisenzähne
weisen eine Würfelform
auf und sind regelmäßig zeilen-
und spaltenweise angeordnet. Die Zahnlücken bilden zeilen- und spaltenweise
durchgängig
verlaufende Nuten aus, deren Breite der Kantenlänge der Würfelform der Eisenzähne gleicht. Über dem
Stator befindet sich eine bewegliche Plattform, auf der Magnetspulen
in zwei Zeilen angeordnet sind. Die bewegliche Plattform wird durch
eine in zwei Richtungen verschiebbare Haltekonstruktion so gehalten,
dass die Pole der Magnetspulen mit einem Luftspalt den Eisenzähnen gegenüberstehen.
Der Antrieb der beweglichen Plattform beruht auf dem Prinzip der variablen
Reluktanz. Die Bestromung der Spulen wird abhängig von der xy-Position mit
einem Computer gesteuert. Zur Bestimmung der xy-Position dienen
ein Sensor für
die x-Richtung und ein Sensor für
die y-Richtung, welche seitlich außerhalb des Stators angeordnet
sind und sich über
die gesamte Ausdehnung des Stators erstrecken. Es bedarf konstruktiver
Hilfsmittel an der Haltekonstruktion, um die xy-Position der beweglichen
Plattform exakt auf die Sensoren zu übertragen. Nachteilig an dieser
Lösung
ist der hohe Aufwand für eine
genaue Bestimmung der xy-Position der beweglichen Plattform.
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Aus
der
DE 100 14 982
A1 ist es bekannt, magnetoresistive Sensoren, wie AMR-
oder GMR-Sensoren, zur Bestimmung der Position eines Rotors einer
geschalteten Reluktanzmaschine zu nutzen. Die magnetoresistiven
Sensoren befinden sich zwischen den Statorpolen und stehen den rotierenden
Rotorpolen gegenüber.
Bei der Anwendung dieses Prinzips zur Positionsbestimmung auf einen Planarmotor
besteht das Problem, dass in allen Zahnlücken des Stators ein magnetoresistiver
Sensor angeordnet sein müsste,
was jedoch zu einem zu hohen Aufwand führen würde. Wenn alternativ ein magnetoresistiver
Sensor an der Aktiveinheit des Planarmotors angebracht wird, besteht
das Problem darin, dass bei bestimmten Verfahrwegen der Sensor über durchgängig verlaufende
Nuten des Stators bewegt wird, sodass die Wirkung der angrenzenden
Eisenzähne
zu gering oder verfälscht
ist.
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Untersuchungen
zur Anwendung herkömmlicher
magnetoresistiver Sensoren an Planarmotoren haben außerdem gezeigt,
dass die auftretenden Positionsfehler beim Verfahren im Bereich
einer durchgehenden Nut aus Zahnlücken nicht mit den Positionsfehlern
beim Verfahren im Bereich der Zähne übereinstimmen
und auch keine Korrelation erkennbar ist. Damit wird eine exakte Positionsbestimmung auf
einem Planarmotor mit Hilfe dieses Messprinzips selbst bei rechnerischer
Fehlerminimierung unmöglich.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen planaren
Direktantrieb mit einer verbesserten Positionsbestimmung der Aktiveinheit sowie
eine geeignete magnetfeldsensitive Sensoreinheit für diese
Positionsbestimmung bereitzustellen. Die Positionsmessung soll ohne
zusätzliche Hilfsmittel
am Stator mit einer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit möglich sein können.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch einen planaren Direktantrieb gemäß dem beigefügten Anspruch 1
sowie durch eine Sensoreinheit gemäß dem nebengeordneten Anspruch
5, wobei an der Sensoreinheit mindestens zwei Sensoren angeordnet
sind, deren Abstand abhängig
von der Zahnteilung des Stators zu wählen ist.
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Die
Erfindung ist für
planare Direktantriebe anwendbar, bei denen der Stator magnetisierbare Zähne aufweist,
die zumindest in einer Richtung y eine regelmäßige Teilung aufweisen. An
der Aktiveinheit ist eine Sensoreinheit mit Sensoren und einem oder
mehreren Dauermagneten angeordnet, die zumindest einen unter den
Sensoren befindlichen magnetisierbaren Zahn magnetisieren. Die Sensoren sind
geeignet, das durch den magnetisierten Zahn ausgebildete Magnetfeld
zu detektieren.
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Infolge
der regelmäßigen Teilung
der magnetisierbaren Zähne
weisen sowohl die Zähne
als auch die Lücken
zwischen den Zähnen
eine Länge
l in der y-Richtung auf. Erfindungsgemäß sind die Sensoren so angeordnet,
dass bei einem Verfahren der Aktiveinheit senkrecht zur y-Richtung
immer mindestens einer der Sensoren über Zähne und Zahnlücken verfahren
wird, sodass dieser Sensor geeignet ist, die Verfahrstrecke in diese
Richtung zu messen. Einer oder mehrere der anderen Sensoren werden
bei einem solchen Verfahrweg nicht über eine Zahnteilung verfahren,
sodass sie nicht geeignet wären,
die Verfahrstrecke in diese Richtung zu messen. Die erfindungsgemäße Anordnung
der Sensoren muss für eine
Anzahl α > 1 an Sensoren realisiert
sein, wobei die Anzahl α vorzugsweise
zwei oder drei ist. Für
den Abstand dieser α Sensoren
in y-Richtung ist jeweils ein ungeradzahliges Vielfaches von 2·l/α zu wählen. Bei
einer Ausführungsform
mit α =
2 Sensoren ist deren Abstand in y-Richtung gleich einem ungeradzahligen
Vielfachen der Länge
l zu wählen.
Bei einer Ausführungsform
mit α =
3 Sensoren ist deren Abstand in y-Richtung jeweils gleich einem
ungeradzahligen Vielfachen von 2·l/3 zu wählen. Die Erhöhung der
Anzahl α ermöglicht eine
höhere
Genauigkeit und eine höhere
Zuverlässigkeit
der Positionsbestimmung.
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Folglich
besteht ein besonderer Vorteil der Erfindung darin, dass eine erfindungsgemäße Sensoreinheit
zur Positionsbestimmung an unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich
Genauigkeit und Zuverlässigkeit
angepasst werden kann.
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Als
Sensoren eignen sich magnetoresistive Sensoren, wobei GMR-Sensoren
besonders bevorzugt sind, da sie sehr empfindlich für unterschiedlich ausgerichtete
Magnetfelder sind.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist für
planare Direktantriebe anwendbar, bei denen der Stator in beiden
Richtungen x und y eine regelmäßige Zahnteilung
aufweist. Die magnetisierbaren Zähne
weisen eine quadratische Grundfläche der
Seitenlänge
l auf. Die Lücken
zwischen zwei Zähnen
weisen in beiden Richtungen x, y ebenfalls eine konstante Länge l auf,
wobei dadurch in beiden Richtungen x, y durchgängig verlaufende Nuten der
Breite l gebildet sind. Die erfindungsgemäße Anordnung der Sensoren ist
vorzugsweise sowohl in x- als
auch in y-Richtung realisiert, sodass bei beliebigen Verfahrwegen
gewährleistet
ist, dass in beiden Richtungen x und y immer ein Sensor über eine
Zahnteilung verfahren wird und so zur Messung der Weglänge geeignet
ist.
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Eine
erfindungsgemäße Sensoreinheit
ist zur Positionsbestimmung über
einer beliebigen Oberfläche
mit magnetisierbaren und nichtmagnetisierbaren Bereichen geeignet,
wobei die magnetisierbaren und nichtmagnetisierbaren Bereiche jeweils
die Länge
l in zumindest der y-Richtung aufweisen.
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Weitere
besondere Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
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Weitere
Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrere Ausführungsformen, unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
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1 zwei
Ansichten eines Stators und einer Sensoreinheit einer einfachen
Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen planaren
Direktantriebes;
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2 einen
Stator und eine Sensoreinheit einer abgewandelten Ausführungsform
des planaren Direktantriebes;
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3 eine
Perspektivansicht einer Sensoreinheit einer bevorzugten Ausführungsform
des planaren Direktantriebes;
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4 einen
Stator und eine Sensoreinheit einer weiteren abgewandelten Ausführungsform
des planaren Direktantriebes;
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5 zwei
Ansichten eines Stators und einer Sensoreinheit einer weiteren Ausführungsform des
planaren Direktantriebes.
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1 zeigt
zwei Ansichten eines Stators 01 und einer Sensoreinheit 02 einer
einfachen Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen planaren
Direktantriebes. Abbildung a) der 1 zeigt
eine Vorderansicht des Stators 01 und der Sensoreinheit 02. Abbildung
b) der 1 zeigt eine Draufsicht auf den Stator 01.
Der plane Stator 01 umfasst viele regelmäßig angeordnete
Eisenzähne 03,
welche sich über die
Reichweite des planaren Direktantriebes erstrecken. Die Eisenzähne 03 haben
eine Quaderform mit einer vorzugsweise quadratischen Grundfläche. Die quadratische
Grundfläche
der Eisenzähne 03 hat eine
Seitenlänge
l. Die Eisenzähne 03 sind
zeilenweise und spaltenweise mit Zahnlücken 04 der Länge l zwischen
den Eisenzähnen 03 angeordnet.
Folglich sind die Zahnlücken 04 ebenfalls
zeilen- und spaltenweise ausgebildet und bilden Nuten der Breite
l. Die Zahnlücken 04 sind
mit Luft oder einem anderen nicht magnetisierbaren Stoff gefüllt. Beispielsweise können die
Lücken
mit einem Kunstharz verfüllt
werden, um eine geschlossene Oberfläche auf dem Stator als Lauffläche zu erhalten.
Die Eisenzähne 03 der Stators 01 können durch
ein zeilen- und spaltenweises Ausfräsen von Nuten der Breite l
aus einem Eisenquader gefertigt werden. Alternativ können die Eisenzähne 03 einzeln
gefertigt und auf eine Grundplatte des Stators 01 aufgebracht
werden. Der Stator 01 kann aus Eisen oder einem anderen
magnetisierbaren Stoff bestehen. Von der quadratischen Grundfläche der
Eisenzähne 03 kann
fertigungs- oder
produktbedingt insoweit abgewichen werden, dass deren magnetische
Eigenschaften in Bezug auf ihre Ausdehnung l wirksam bleiben. Folglich
können
Kantenabschrägungen,
kleine Ausnehmungen o. ä.
an den Eisenzähnen 03 des
Stators 01 vorgenommen werden. Die Ausbildung der Breite
l der Eisenzähne 03 und
der Zahnlücken 04 hat
ebenfalls derart zu erfolgen, dass diese hinsichtlich der magnetischen
Eigenschaften der Eisenzähne 03 und
der Zahnlücken 04 wirksam
ist. Folglich können
abhängig
vom planaren Direktantrieb Toleranzen von l akzeptabel sein, die
größer als
die Fertigungstoleranzen sind.
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Der
planare Direktantrieb besitzt außerdem eine Aktiveinheit (nicht
gezeigt), die in mindestens zwei Bewegungsrichtungen x und y in
einer Ebene parallel zur planen Ebene des Stators 01 verfahren werden
kann. In der Aktiveinheit befinden sich mehrere Spulen, deren Eisenkerne
den Eisenzähnen 03 gegenüberstehen.
Um trotz der magnetischen Anziehungskräfte zwischen der Aktiveinheit
und dem Stator 01 eine Bewegung zu ermöglichen, ist eine Lagereinheit
erforderlich, durch welche ein Lagerspalt während des Betriebs des Direktantriebs
aufrechterhalten wird. Vorzugsweise eignen sich dafür Luftlager,
die zwischen den Eisenzähnen 03 des
Stators 01 und der Aktiveinheit einen Luftspalt erzeugen.
Die Spulen der Aktiveinheit werden entsprechend der gewünschten
Bewegungsrichtung bestromt, wobei ein Antrieb der Aktiveinheit gemäß dem Prinzip
der variablen bzw. geschalteten Reluktanz erzielt wird. Der Stator 01 stellt
eine Passiveinheit dar. Die Passiveinheit muss nicht grundsätzlich ortsfest
sein.
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Die
Sensoreinheit 02 ist an der Aktiveinheit befestigt. Die
Sensoreinheit 02 umfasst einen Dauermagneten 06 mit
einer Magnetisierungsrichtung 07. Der Dauermagnet 06 ist
in etwa so breit wie die Länge
l der Eisenzähne 03 und
Zahnlücken 04,
und mindestens ebenso lang ausgeführt. Dadurch befindet sich
zumindest immer einer der Eisenzähne 03 im Wirkungsbereich
des Magnetfeldes des Dauermagneten 06 unabhängig davon,
an welcher Position sich die Aktiveinheit mit der Sensoreinheit 02 über dem Stator 01 befindet.
Derjenige oder diejenigen Eisenzähne 03,
die sich im Wirkungsbereich des Dauermagneten 06 befinden,
beeinflussen den Verlauf des vom Dauermagneten 06 erzeugten
Magnetfelds. Am Dauermagneten 06 sind zwei Sensoren 08 angebracht,
welche sich jeweils in einem Sensorgehäuse 09 befinden: Bei
den Sensoren 08 handelt es sich um GMR-Sensoren. Ein GMR-Sensor
nutzt den Giant-Magneto-Resistive-Effekt,
wodurch er auch empfindlich für
die Richtung des einwirkenden Magnetfeldes bzw. Richtungsänderungen
ist. Wenn sich die Aktiveinheit an einer Position befindet, bei
welcher sich der Sensor 08 über einem Eisenzahn 03 befindet,
so wirkt das vom Eisenzahnes 03 beeinflusste Magnetfeld
auf den Sensor 08 ein. Das Magnetfeld wirkt aus einer anderen
Richtung auf den Sensor 08 ein, als wenn das Magnetfeld
des Dauermagneten 06 nicht durch den Eisenzahn abgelenkt
wäre. Befindet sich
hingegen der Sensor 08 über
einer der Zahnlücken 04,
so wirkt nur das Magnetfeld des Dauermagneten 06 auf den
Sensor 08 ein bzw. ein erkennbar weniger abgelenktes Magnetfeld.
Folglich kann mit Hilfe des GRM-Sensors 08 unterschieden
werden, ob sich der jeweilige Sensor 08 über einem
Eisenzahn 03 oder über
einer Zahnlücke 04 befindet. Durch
eine weiterführende
Auswertung der Richtung des am GMR-Sensor 08 einwirkenden
Magnetfeldes kann die Position innerhalb der Länge l eines Eisenzahnes 03 bzw.
einer Zahnlücke 04 bestimmt
werden.
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Die
beiden Sensoren 08 weisen einen Abstand in y-Richtung auf,
der wiederum so groß wie die
Länge l
der Eisenzähne 03 und
Zahnlücken 04 ist. Bewegt
sich die Aktiveinheit in y-Richtung bei gleich bleibender Position
in x-Richtung, in der Eisenzähne 03 angeordnet
sind, so wird sich immer jeweils ein Sensor 08 über einem
Eisenzahn 03 und jeweils ein Sensor 08 über einer
Zahnlücke 04 befinden.
Eine Ausnahme bildet der Grenzfall, wenn beide Sensoren 08 sich
an einem Übergang
zwischen einem Eisenzahn 03 und einer Zahnlücke 04 befinden.
Jedoch ist grundsätzlich
gewährleistet,
dass sich zumindest ein Sensor 08 im Magnetfeld eines magnetisierten
Eisenzahnes 03 befindet. Folglich wird bei einer Bewegung
der Aktiveinheit in x-Richtung bei gleich bleibender Position in
y-Richtung zumindest immer einer der beiden Sensoren 08 abwechselnd über Eisenzähne 03 und
Zahnlücken 04 verfahren. Daher
ist immer zumindest ein Sensor 08 zur Bestimmung der Wegstrecke
in x-Richtung geeignet.
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Die
sich in y-Richtung erstreckenden Eisenzähne 03 und Zahnlücken 04 weisen
ein periodisches Auftreten mit einer Periodenlänge λ = 2·l auf. Der Abstand zwischen
den beiden Sensoren 08 beträgt somit λ/2. Betrachtet man diese Zahnteilung
hinsichtlich des periodischen Auftretens der Eisenzähne 03 und
Zahnlücken 04,
so lässt
sich die Sensoranordnung dadurch beschreiben, dass die beiden Sensoren 08 mit
einer Phase von 180° angeordnet
sind. Erfindungsgemäß kann diese
Phase zwischen den beiden Sensoren 180° + n·360° betragen, wobei n eine natürliche Zahl ≥0 ist, das
heißt
der Abstand beträgt
(2n + 1)·l.
Wird n > 0 gewählt, ist
zu berücksichtigen,
dass der Außenbereich
des Stators 01 nicht vollständig zum Verfahren der Aktiveinheit
genutzt werden kann.
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Die
in 1 gezeigte einfache Ausführungsform ist für planare
Direktantriebe geeignet, bei denen insbesondere eine genaue Positionsbestimmung in
einer der Richtungen erforderlich ist oder bei denen gewährleistet
ist, dass das Verfahren in die andere Richtung auf Wegen über den
Eisenzähnen 03 erfolgt.
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2 zeigt
den Stator 01 und die Sensoreinheit 02 einer abgewandelten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen planaren
Direktantriebes. Die Sensoreinheit 02 dieser Ausführungsform
weist zwei Dauermagneten 06 auf, die jeweils beide dem
Stator 01 gegenüberstehen.
An jedem der Dauermagneten 06 ist einer der Sensoren 08 in
einem Gehäuse 09 angebracht.
Der Abstand in y-Richtung zwischen den beiden Sensoren 08 beträgt das Dreifache
der Länge l
der Eisenzähne 03 und
Zahnlücken 04.
Die Sensoren 08 haben somit eine Phase von 540° zueinander. Für die Anordnung
der Dauermagnete 06 können auch
andere Ausführungen
gewählt
werden, die eine Magnetisierung des unter dem Sensor 08 befindlichen
Eisenzahnes 03 ermöglichen.
Hierfür
können mehrere
kleine Einzelmagneten, eine Magnetscheibe oder auch Dauermagneten
innerhalb des Sensorgehäuses 09 genutzt
werden.
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3 zeigt
eine Perspektivansicht einer Sensoreinheit 02 einer bevorzugten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen planaren
Direktantriebes. Der Stator dieses planaren Direktantriebes gleicht
dem in 1 gezeigten Stator. Die Sensoreinheit 02 stellt
eine erweiterte Ausführung
der in 1 gezeigten Sensoreinheit dar. Die Erweiterung
besteht aus zwei weiteren Sensoren 08, die in x-Richtung
hinter den beiden in
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1 gezeigten
Sensoren 08 angeordnet sind. In 3 sind nur
zwei der vier Sensoren 08 gezeigt, da die beiden anderen
Sensoren in dieser perspektivischen Darstellung verdeckt sind. Die
nicht gezeigten Sensoren sind in y-Richtung symmetrisch zu den gezeigten
Sensoren 08 angeordnet. Folglich beträgt der Abstand der beiden hinteren
Sensoren 08 in y-Richtung wiederum die Länge l. Der
Abstand der Sensoren 08 in x-Richtung beträgt das Fünffache der Länge l. Durch
diese Anordnung der vier Sensoren 08 ist gewährleistet,
dass sich immer jeweils mindestens ein Sensor 08 über einem
Eisenzahn 03 und jeweils mindestens ein Sensor 08 über einer
Zahnlücke 04 befindet.
Eine Ausnahme bildet der Grenzfall, wenn sich alle vier Sensoren 08 an
einer Ecke eines Eisenzahnes 03 im Übergang zu einer Zahnlücke 04 befinden.
Jedoch ist grundsätzlich
gewährleistet, dass
sich zumindest ein Sensor 08 im Magnetfeld eines magnetisierten
Eisenzahnes 03 befindet. Folglich wird auch bei einer Bewegung
der Aktiveinheit in y-Richtung an einer beliebigen Position in x-Richtung zumindest
immer einer der Sensoren 08 abwechselnd über Eisenzähne 03 und
Zahnlücken 04 verfahren.
Daher ist immer zumindest ein Sensor 08 zur Bestimmung
der Wegstrecke in x-Richtung und zumindest ein Sensor 08 zur
Bestimmung der Wegstrecke in y-Richtung geeignet, sodass bei jedem
beliebigen Verfahrweg eine genaue Positionsbestimmung in x- und
in y-Richtung gewährleistet
ist.
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Die
Wahl des Faktors n zur Festlegung des Abstandes (2n + 1)·l kann
wie in der gezeigten Ausführungsform
für die
x- und y-Richtung
unterschiedlich gewählt
werden. Der Faktor n kann aber auch für beide Richtungen gleich gewählt werden.
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Die
in 3 gezeigte Ausführungsform mit vier Sensoren
weist den Vorteil auf, dass die Fehler der einzelnen Sensoren 08
im integrierten Gesamtergebnis der Sensoreinheit 02 redu ziert
sind. Auch ein kurzzeitiger Ausfall eines Sensors 08 kann
kompensiert werden.
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Die
in 3 gezeigte Ausführungsform mit vier Sensoren 08 kann
beliebig in x- und y-Richtung erweitert werden, sodass eine Matrix
an Sensoren 08 gebildet werden kann. Die Matrix kann quadratisch, z.
B. 3 × 3
oder auch ungleichseitig z. B. 6 × 2 sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform,
die gegenüber
der in 1 gezeigten Ausführungsform abgewandelt ist,
weisen die beiden Sensoren 08 auch in x-Richtung einen
Abstand der Länge
l auf. Folglich wird auch bei einer Bewegung der Aktiveinheit in y-Richtung
bei einer beliebigen Position in x-Richtung zumindest immer einer
der Sensoren 08 abwechselnd über Eisenzähne 03 und Zahnlücken 04 verfahren.
Daher ist die Sensoreinheit dieser Ausführungsform ebenso wie die in 3 gezeigte
Ausführungsform
zur Bestimmung der Wegstrecke in die x-Richtung und in die y-Richtung
geeignet. Erfindungsgemäß können für die Abstände der
beiden Sensoren 08 in x-Richtung und in y-Richtung jeweils ein
ungeradzahliges Vielfaches der Länge
l gewählt werden.
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4 zeigt
den Stator 01 und die Sensoreinheit 02 einer weiteren
abgewandelten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen planaren
Direktantriebes. Die Sensoreinheit 02 dieser Ausführungsform weist
drei Dauermagneten 06 auf, die jeweils dem Stator 01 gegenüberstehen.
An jedem der Dauermagneten 06 ist ein Sensor 08 in
einem Gehäuse 09 angebracht.
Der Abstand in y-Richtung zwischen den Sensoren 08 beträgt jeweils
zwei Drittel der Länge
l der Eisenzähne 03 und
Zahnlücken 04.
Die Sensoren 08 haben somit eine Phase von 120° zueinander.
Es befinden sich immer zwei Sensoren 08 entweder über einem Eisenzahn 03 oder über eine
Zahnlücke 04.
Ein Grenzfall, bei dem alle Sensoren 08 sich über einem Übergang
zwischen einen Eisenzahn 03 und einer Zahnlücke 04 befinden,
kann bei dieser Ausführungsform
nicht auftreten. Die Verwendung von drei statt zwei Sensoren weist
den Vorteil auf, dass die Positionsmessung genauer und mit einer
höheren
Sicherheit erfolgen kann. Die Phase zwischen den Sensoren 08 kann
wie bei der in 2 gezeigten Ausführungsform
um 360° oder
auch um ein Vielfaches von 360° erhöht sein.
Diese Erhöhung
kann auch unterschiedlich zwischen den Sensoren 08 gewählt werden.
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Um
die Genauigkeit der Positionsbestimmung gegenüber der in 4 gezeigten
Ausführungsform
nochmals zu steigern, kann die Sensoreinheit 02 erfindungsgemäß auch mit
vier Sensoren ausgeführt
sein, wobei der Abstand in y-Richtung zwischen den Sensoren 08 jeweils
die Hälfte
der Länge
l der Eisenzähne 03 und
Zahnlücken 04 beträgt. Die
Sensoren 08 haben somit eine Phase von 90° zueinander,
welche wiederum um n·360° erhöht sein kann.
Die Genauigkeit kann beliebig gesteigert werden, indem die Anzahl α der Sensoren 08 erhöht wird,
wobei der Abstand in y-Richtung zwischen den Sensoren 08 jeweils
ein ungeradzahliges Vielfaches von 2·l/α beträgt. Eine Steigerung der Genauigkeit
in x-Richtung ist in gleicher Weise möglich. Die Anzahl aller in
einer Richtung angeordneten Sensoren 08 kann auch größer als α gewählt werden.
Beispielsweise können
zwei Tripel von Sensoren 08 in einer Richtung angeordnet
werden, wobei die Sensoren 08 jedes Tripels einen paarweisen
Versatz von 120° aufweisen.
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Die
Erfindung kann in gleicher Weise für die Positionsbestimmung in
einem Linearantrieb genutzt werden. Hierfür werden an der Aktiveinheit
mehrere Sensoren angebracht, von denen mindestens eine Anzahl α > l einen paarweisen
Abstand in der Verfahrrichtung aufweist, der jeweils ein ungeradzahliges
Vielfaches von 2·l/α ist.
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Wenn
die Seitenlänge
der Grundfläche
der Eisenzähne 03 von
der Länge
der Zahnlücken 04 abweicht,
ist die Anzahl α größer als
2 zu wählen.
Ist beispielsweise die Seitenlänge
der Grundfläche
der Eisenzähne 03 geringfügig größer als
die Länge
der Zahnlücken 04,
so kann mit Hilfe von drei Sensoren 08 mit einem paarweisen
Versatz von 120° gewährleistet
werden, dass mindestens immer ein Sensor 08 zur Bestimmung
der Wegstrecke in die jeweils andere Richtung geeignet ist. Bei
größeren Unterschieden zwischen
der Seitenlänge
der quadratischen Grundfläche
der Eisenzähne 03 und
der Länge
der Zahnlücken 04 ist
die Anzahl α der
Sensoren 08 entsprechend größer zu wählen.
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Bei
Ausführungsformen
bei denen die Anzahl α > 2 gewählt wird,
können
die Abstände
zwischen den Sensoren 08 auch mit einer Toleranz von ±l/(2·α) gegenüber dem
ungeradzahligen Vielfachen von 2·l/α ausgeführt sein.
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5 zeigt
den Stator 01 und die Sensoreinheit 02 einer weiteren
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen planaren
Direktantriebes. Abbildung a) der 5 zeigt
eine Vorderansicht des Stators 01 und der Sensoreinheit 02.
Abbildung b) der 5 zeigt eine seitliche Ansicht
der Sensoreinheit 02. In der 5 ist jeweils
nur einer der Dauermagneten 06 und einer der Sensoren 08 gezeigt.
Die anderen Dauermagneten 06 und Sensoren 08 sind
in gleicher Weise ausgeführt.
Der Dauermagnet 06 und der Sensor 08 sind an einer
Zwischenplatine 11 befestigt. Der Sensor 08 ist
mit Kontakten 12 elektrisch mit der Zwischenplatine 11 verbunden.
Zwischen dem Dauermagneten 06 und dem Sensor 08 ist
ein Abstandshalter 13 angeordnet.
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Bei
dem Dauermagneten 06 handelt es sich um einen Samarium-Cobalt-Magneten des
Typs IBS DE107 mit den Abmessungen 10 mm × 7 mm × 2 mm. Bei dem Sensor 08 handelt
es sich um einen GMR-Sensor der Typenreihe GL711 bis GL715 und GL721
bis GL725.
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Die
Kontakte 12 dienen der Stromversorgung und dem Auslesen
der bereitgestellten sinus- und cosinusförmigen Sensorsignale. Durch
eine Auswertung der Signale an den Signalausgängen kann die Richtung des
einwirkenden Magnetfeldes bestimmt werden. Da das über die
Zahnteilung hinweg resultierende Magnetfeld hinsichtlich Ausrichtung und
Intensität
einen nachvollziehbaren Verlauf zeigt, kann durch eine Auswertung
von Richtung und Intensität
des Magnetfeldes eine genaue Positionsbestimmung der Aktiveinheit
erfolgen.
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Neben
GMR-Sensoren können
auch andere magnetoresistive Sensoren, wie beispielsweise MR-, AMR-,
TMR-, CMR- oder GMI-Sensoren genutzt werden. Erfindungsgemäß kann jeder
Sensor genutzt werden, der eine Kenngröße des sich an der Zahnteilung
ausbildenden Magnetfeldes detektieren kann.
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Die
Sensoren 08 können
in unterschiedlichen Bauformen verwendet werden. Die Sensoren können beispielsweise
in einem SMD-Gehäuse oder als
auf einem Substrat gebondeter Chip ausgeführt werden. Der Dauermagnet 06 kann
als integraler Bestandteil des Sensors 08 ausgeführt sein.
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Die
Positionsbestimmung mit den Sensoren (08) des erfindungsgemäßen planaren
Direktantriebes erfolgt relativ. Zur Bestimmung einer absoluten Position
bedarf es eines Bezugspunktes, einer Nullstellung o. ä., was durch
den Fachmann in bekannte Weise realisiert werden kann.
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- 01
- Stator
- 02
- Sensoreinheit
- 03
- Eisenzähne
- 04
- Zahnlücken zwischen
den Eisenzähnen
- 05
- –
- 06
- Dauermagnet
- 07
- Magnetisierungsrichtung
- 08
- Sensor
- 09
- Sensorgehäuse
- 10
- –
- 11
- Zwischenplatine
- 12
- Kontakt
- 13
- Abstandshalter