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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Sensorvorrichtungen zur Erfassung von Relativbewegungen.
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Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung magnetisierte Polräder in Verbindung mit Magnetfeldsensoren wie beispielsweise Hallsensoren, GMR(Giant Magnetic Resistive)-Sensoren etc. Derartige Sensoren sind bei der Erfassung von Linear- und/oder Drehbewegungen wegen vieler Vorteile wie beispielsweise Störungsunempfindlichkeit und berührungslose Erfassungsmöglichkeit weit verbreitet. Insbesondere in der Automobilindustrie sind derartige Sensoren im Einsatz zur Erfassung der Motordrehgeschwindigkeit und der Motordrehrichtung. Derartige Messgrößen müssen in der Regel mit einer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfasst werden.
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STAND DER TECHNIK
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Sensoreinrichtungen auf der Basis von magnetischen Gebern und zugehörigen Aufnehmern, welche zur Erfassung von Drehbewegungen eingesetzt werden, weisen üblicherweise einen Referenzerfassungsbereich auf, mit welchem ein Referenzsignal erzeugbar ist, das bei der Erfassung der Drehbewegung eine Referenzpositionsmarkierung bereitstellt.
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Ein derartiger Referenzerfassungsbereich 213 ist in 5 dargestellt, bei dem ein Ausschnitt eines aus alternierenden ersten und zweiten Geberelemente 101, 102 bereitgestellten Polrads gezeigt ist. Derartige Geberelemente können beispielsweise aus Permanentmagneten bereitgestellt werden, die hinsichtlich ihrer Nord-Süd-Richtung, die parallel zu der Drehachse des Polrads ausgerichtet ist, alternierend angeordnet sind. So sind beispielsweise in 5 die ersten Geberelementen 101 als ein N-Pol (Nordpol) ausgebildet, während die zweiten Geberelemente 102 als ein S-Pol (Südpol) ausgebildet sind.
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Die herkömmliche Anordnung, die in 5 gezeigt ist, weist einen Referenzerfassungsbereich 213 auf, der dadurch gekennzeichnet ist, dass drei hintereinander angeordnete gleiche Geberelemente 102r ausgebildet sind. Die Einbringung einer derartigen Asymmetrie in die Umfangsanordnung der Magnetpole hat wesentliche Auswirkungen auf den von einer Aufnehmereinheit (nicht gezeigt) zu erfassenden Magnetfluss. Die mit dem herkömmlichen Polrad und dem beschriebenen Referenzerfassungsbereich 213 erfassten Magnetflüsse sind in den 6(a) und (b) sowie 7(a) und (b) veranschaulicht. Hierbei entsprechen die einzelnen Kurvenverläufe spezifischen Magnetflüssen, die für unterschiedliche Luftspalte berechnet bzw. simuliert sind. Somit ist ein erster Luftspalt 201 kleiner als ein zweiter Luftspalt 202, der wiederum kleiner als ein dritter Luftspalt 203 ist, welcher wiederum kleiner als ein vierter Luftspalt 204 ist. Hierbei bezeichnet die Größe des Luftspaltes einen Abstand zwischen der Aufnehmereinheit und den sich daran vorbeibewegenden ersten und zweiten Geberelementen 101, 102. In dem in den 6 und 7 gezeigten Beispiel weist der erste Luftspalt 201 einen Wert von 1 mm auf, der zweite Luftspalt 202 weist einen Wert von 2 mm auf, der dritte Luftspalt 203 weist einen Wert von 3 mm auf, und der vierte Luftspalt 204 weist einen Wert von 4 mm auf.
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In den 6(a), (b) bis 7(a), (b) sind Magnetflussverläufe als Funktion einer Erfassungsposition 210 gezeigt, wobei die Erfassungsposition in der Mitte der horizontalen Achse (x-Achse) den Referenzerfassungsbereich 213 aufweist. Somit ist aus den 6 und 7 erkennbar, dass in der Mitte der x-Achse eine Veränderung des Magnetflusses auftritt, derart, dass diese Veränderung als die Referenzposition herangezogen werden kann. Links und rechts dieses veränderten Bereichs des Magnetflusses weist der Magnetfluss einen regelmäßigen Bereich auf, der durch die alternierende Anordnung der ersten und zweiten Geberelemente auf dem Polrad gegeben ist.
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Zur Referenz sind die ersten und zweiten Geberelemente 101, 102 in dem unteren Teil der 6(a) veranschaulicht. Insbesondere hingewiesen sei auf die Veränderung des Magnetflusses 209 in dem Referenzerfassungsbereich 213, der in dem gezeigten, herkömmlichen Beispiel aus hintereinander, nicht alternierend angeordneten zweiten Geberelementen 102r besteht.
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6(b) zeigt den in 6(a) dargestellten Magnetflussverlauf in einer differenziellen Form, d. h. der in 6(b) gezeigte Verlauf entspricht dem differenzierten Magnetflussverlauf 209. Somit ist in 6(a) ein tangentialer Magnetfluss 209 dargestellt, während in 6(b) ein differenzieller tangentialer Magnetflussverlauf 209' dargestellt ist.
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Ferner zeigt 7(a) einen normalisierten tangentialen Magnetfluss 214, wobei eine Normalisierung bezüglich jedes einzelnen Verlaufs, der den ersten bis vierten Luftspalten 201–204 entspricht, normiert ist.
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In 7(b) ist der differenzierte normalisierte tangentiale Magnetflussverlauf der 7(a) dargestellt, d. h. ein differenzieller normalisierter tangentialer Magnetfluss 214'.
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Da mittels der Aufnehmereinheit stets der in 7(b) dargestellte Verlauf erfasst wird, ist ein Problem der Erzeugung eines Referenzpositionssignals mit der herkömmlichen, in 5 gezeigten Polradanordnung deutlich. Die Erfassungsmöglichkeit der Referenzposition variiert stark mit dem Luftspalt, wie aus den Kurvenverläufen für die ersten bis vierten Luftspalte 201–204 erkennbar ist. Lediglich die Bereiche der dritten und vierten Luftspalte 203, 204 weisen einen annähernd übereinstimmenden Verlauf in dem Referenzerfassungsbereich, nicht hingegen in den übrigen Bereichen auf.
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Es ist somit ein wesentlicher Nachteil der beschriebenen herkömmlichen Magnetsensorvorrichtung, dass das Nahfeld in der Nähe des Referenzpunkts aufgrund der unregelmäßigen Anordnung von ersten und zweiten Magnetisierungselementen in hohem Maße beeinflusst wird. Ferner variiert dieses Magnetfeld in nachteiliger Weise stark mit dem Abstand zwischen Aufnehmereinheit und Gebereinheit, d. h. wesentlich mit der Größe des Luftspaltes 201, 202, 203 und 204.
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In nachteiliger Weise verschlechtern beide Faktoren das Betriebsverhalten herkömmlicher Magnetsensorvorrichtungen, wobei Fertigungstoleranzen wie beispielsweise die Auslegung des Luftspaltes bzw. der Abstand zwischen Gebereinheit und Aufnehmereinheit und ähnliches einen großen nachteiligen Einfluss aufweisen.
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JP 2003 270257 A beschreibt einen Impulsgeberring mit magnetischen Süd- und Nordpolen, die alternierend um den Ring herum angeordnet sind, so dass ein Sensor ein Signal bei Drehung des Rings erfassen kann. Der Impulsgeberring umfasst einen detektierbaren Teil, der schwächer magnetisch ist.
EP 1 750 100 A1 beschreibt einen Encoder mit alternierend und in gleichem Abstand angeordneten magnetischen Nord- und Südpolen, wobei ein Abschirmelement zum Abschirmen des magnetischen Feldes vorgesehen ist. Das Abschirmelement ist als magnetischer Körper mit Innen-, Außen-, Seitenfläche ausgebildet, z.B. in U-Form. Dieser Körper wird mit dem Encoder durch Druck verbunden.
EP 1780 515 A1 beschreibt einen Impulsgeberring, auf den eine magnetisierte Schicht aufgebracht ist. Ein signalgebender Bereich wird durch Variation der Dicke der magnetisierten Schicht und ihres Trägers festgelegt.
DE 103 38 120 A1 beschreibt einen Multipolencoder mit einer Magnetspur mit streifenförmiger Magnetisierung abwechselnder Polung. Eine Referenzlage wird durch einen nicht magnetisierten Bereich ausgebildet, an den sich Streifen gleicher Polung anschließen.
JP 63 035701 A beschreibt eine Farbe, die Siliziumstahl enthalten kann und beim Auftrag auf eine Oberfläche magnetisch abschirmend wirkt.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Magnetsensorvorrichtung bereitzustellen, bei der eine Referenzpositionserfassung mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Relativbewegungen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch ein in dem Patentanspruch 10 angegebenes Verfahren gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Magnetsensorvorrichtung mit einer als Polrad ausgebildeten Gebereinheit und einer Aufnehmereinheit zur Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Schnittansicht in Richtung der x-Achse der 1, d. h., entlang eines Schnitts A-A der 1 zur Verdeutlichung der Aufnahme eines transversalen Magnetflusses, der durch die Gebereinheit erzeugt wird, mittels der Aufnehmereinheit;
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3 den Verlauf eines tangentialen Magnetflusses als Funktion der Erfassungsposition mit Angabe einer Mittenposition am Beispiel eines magnetischen Dipols für unterschiedliche Luftspaltbreiten;
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4 den Verlauf von Feldlinien eines tangentialen Magnetflusses, der durch einen magnetischen Dipol erzeugt ist, in einer zweidimensionalen Darstellung;
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5 einen Ausschnitt eines Polrads mit einer herkömmlichen Referenzpositionserfassung;
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6(a) den Verlauf eines tangentialen Magnetflusses als Funktion einer Erfassungsposition für eine Magnetsensorvorrichtung, die eine Gebereinheit mit einer herkömmlichen Referenzpositionserfassung aufweist;
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6(b) den differenziellen tangentialen Magnetflussverlauf als Funktion der Erfassungsposition, welcher sich aus dem Differenzial des tangentialen Magnetflusses 209 der 6(a) ergibt;
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7(a) einen normalisierten tangentialen Magnetfluss als Funktion der Erfassungsposition, welcher sich durch Normalisierung des in 6(a) gezeigten Magnetflusses ergibt;
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7(b) einen differenziellen normalisierten tangentialen Magnetfluss, der sich durch Differenzialbildung des in 7(a) gezeigten normalisierten tangentialen Magnetflusses ergibt;
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8 eine Magnetflussverteilung einer Gebereinheit, welche eine magnetische Abschwächungseinheit aufweist, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer zweidimensionalen Darstellung;
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9(a) einen tangentialen Magnetfluss als Funktion einer Erfassungsposition für eine Magnetsensorvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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9(b) einen durch Differenzialbildung des in 9(a) gezeigten Magnetflusses erhaltenen differenziellen tangentialen Magnetflussverlauf;
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10(a) einen normalisierten tangentialen Magnetfluss, der durch Normalisierung bezüglich jeder in 9(a) gezeigten Kurve des tangentialen Magnetflusses erhalten wird; und
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10(b) einen differenziellen normalisierten tangentialen Magnetflussverlauf, der durch Differenzialbildung des in 10(a) gezeigten normalisierten tangentialen Magnetflussverlaufs erhalten wird.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Eine Kernidee der Erfindung besteht darin, eine Referenzposition entlang einer Gebereinheit dadurch zu schaffen, dass das von alternierend angeordneten ersten und zweiten Geberelementen erzeugte Feld in dem Referenzerfassungsbereich nicht gestört, sondern lediglich in seinem Wert geringfügig verändert, vorzugsweise abgeschwächt wird. Wie untenstehend erläutert werden wird, hat dies sehr vorteilhafte Auswirkungen insbesondere auf den tangentialen Feldverlauf, der von der Aufnehmereinheit aufgenommen wird, wie auch auf den differenziellen tangentialen Feldverlauf, den normalisierten tangentialen Feldverlauf und den differenziellen normalisierten tangentialen Feldverlauf.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass die Störung des Feldes gering gehalten wird. Insbesondere kann die Störung des Feldes auf beiden Seiten des Referenzpunktes gering gehalten werden. Ferner ist es möglich, eine hohe Genauigkeit einer Referenzpositionserfassung bei geringer Abhängigkeit vom dem Abstand zwischen Geber- und Aufnehmereinheit bereitzustellen. Somit wird in vorteilhafter Weise eine große Luftspaltvariation zugelassen, ohne dass die Genauigkeit einer Referenzpositionserfassung dadurch vermindert wird.
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Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Erfassung einer Relativbewegung weist im Wesentlichen auf:
- – einer Gebereinheit zur Erzeugung eines Feldes mit
- – ersten Geberelementen; und
- – zweiten Geberelementen, wobei
- – die ersten Geberelemente und die zweiten Geberelemente zur Erzeugung eines räumlich variierenden Feldes alternierend hintereinander entlang einer Linie an vorgegebenen Positionen angeordnet sind, und
- – an einer Referenzposition, welche zumindest einer der vorgegebenen Positionen eines ersten oder zweiten Geberelementes entlang der Linie entspricht, mindestens ein Wert des Feldes um einen positiven Faktor gegenüber einer entsprechenden anderen Position eines ersten oder zweiten Geberelementes verändert ist, wobei das Feld mit einer als Beschichtung aufgetragenen Abschwächungseinheit an der Referenzposition abgeschwächt ist, wobei die Beschichtung mit einer Schichtdicke in einem Bereich von 1 µm bis 100 µm ausgebildet ist; und
- – einer Aufnehmereinheit zur Erzeugung eines alternierenden Ausgabesignals in Abhängigkeit des von den ersten und zweiten Geberelementen erzeugten Feldes, wobei die Gebereinheit und die Aufnehmereinheit relativ zueinander bewegbar sind und einen Abstand von 1 bis 4 mm voneinander aufweisen.
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Weiterhin weist das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen einer Relativbewegung im Wesentlichen die folgenden Schritte auf:
- a) Erzeugen eines Feldes mittels einer Gebereinheit (113), welche
– erste Geberelemente; und
– zweite Geberelemente aufweist, wobei
– die ersten Geberelemente und die zweiten Geberelemente zur Erzeugung eines räumlich variierenden Feldes alternierend hintereinander entlang einer Linie an vorgegebenen Positionen angeordnet sind, und
– an einer Referenzposition, welche zumindest einer der vorgegebenen Position eines ersten oder zweiten Geberelementes entlang der Linie entspricht, mindestens ein Wert des Feldes um einen positiven Faktor gegenüber einer entsprechenden anderen Position eines ersten oder zweiten Geberelementes verändert ist, wobei das Feld mit einer als Beschichtung aufgetragenen Abschwächungseinheit an der Referenzposition abgeschwächt ist, wobei die Beschichtung mit einer Schichtdicke in einem Bereich von 1 µm bis 100 µm ausgebildet ist; und
- b) Erzeugung eines alternierenden Ausgabesignals in Abhängigkeit des von den ersten und zweiten Geberelementen erzeugten Feldes mittels einer Aufnehmereinheit, wobei die Gebereinheit und die Aufnehmereinheit relativ zueinander bewegt werden und einen Abstand von 1 bis 4 mm voneinander aufweisen.
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Dabei liegt der Wert des positiven Faktors bevorzugt in dem Bereich zwischen 0,05 und 0,3. In den Unteransprüchen finden sich weitere, vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die ersten Geberelemente und die zweiten Geberelemente alternierend hintereinander in einer geraden Linie angeordnet, wobei die erfasste Relativbewegung eine Transversalbewegung ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die ersten Geberelementen und die zweiten Geberelemente alternierend hintereinander auf einem Kreisumfang angeordnet, wobei die erfasste Relativbewegung eine Drehbewegung in einer vorgegebenen Drehrichtung ist.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Feld ein Magnetfeld. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn eine magnetische Abschwächungseinheit vorgesehen ist. Dabei ist die magnetische Abschwächungseinheit bevorzugt aus einem ferromagnetischen Material gebildet.
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Es ist vorteilhaft, dass die Gebereinheit als ein Polrad ausgebildet ist, wobei eine Drehbewegung in einer vorgegebenen Drehrichtung erfassbar wird.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weisen die alternierend hintereinander in einer Linie angeordneten ersten und zweiten Geberelemente einen vorbestimmten Teilungsabstand auf.
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Vorzugsweise entspricht der vorbestimmte Teilungsabstand einer Summe von Breiten einer der ersten und einer der zweiten Geberelemente in der Richtung der Relativbewegung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung erstreckt sich die magnetische Abschwächungseinheit, mit welcher mindestens eine der alternierenden ersten und zweiten Geberelemente abgeschirmt ist, über das 1,5-fache des Teilungsabstands.
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Durch eine derartige Anordnung wird die Lösung der oben angegebenen Aufgabe ermöglicht, d. h. es werden eine Gebereinheit für eine Magnetsensorvorrichtung und eine zugehörige Magnetsensorvorrichtung bereitgestellt, bei der eine Referenzpositionserfassung präzise ermöglicht ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen erläutert, bei denen das Feld als ein magnetisches Feld ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung kann jedoch mit anderen Feldern, beispielsweise elektrischen oder elektromagnetischen Feldern (Licht), durchgeführt werden.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Magnetsensorvorrichtung 100, die aus zwei wesentlichen Blöcken aufgebaut ist, d. h., aus einer Gebereinheit 113 und einer Aufnehmereinheit 105. Die Gebereinheit 113 weist erste Geberelemente 101a–101n und zweite Geberelemente 102a–102n auf. Hierbei sind die ersten Geberelementen 101a–101n und die zweiten Geberelemente 102a–102n zur Erzeugung eines Magnetflusses 200 (siehe 2) alternierend hintereinander in einer Linie angeordnet. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die ersten Geberelementen 101a–101n und die zweiten Geberelemente 102a–102n alternierend hintereinander auf vorgegebenen Positionen auf einem Kreisumfang angeordnet, derart, dass eine erfasste Relativbewegung 300 (siehe 2) eine Drehbewegung in einer vorgegebenen Drehrichtung 205 um eine Drehachse 208 ist.
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Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Geberelemente 101a–101n, 102a–102n als Permanentmagneten ausgebildet, die auf einem sogenannten Polrad als Trägereinrichtung 103 angeordnet sind. Hierbei entsprechen die ausgefüllten Kreise (schwarze Kreise) in 1 beispielsweise den zweiten Geberelemente 102a–102n, welche als Südpole (S-Pole) ausgebildet sind, während die leeren Kreise (die ersten Geberelementen 101a–101n) als N-Pole (Nordpole) ausgebildet sind. Durch die alternierende Anordnung der ersten Geberelemente 101a–101n und der zweiten Geberelemente 102a–102n wird bei einer Drehbewegung in der Drehrichtung 205 um die Drehachse 208 der Trägereinrichtung 103 ein alternierender Magnetfluss 200, der aus einem ersten Magnetfluss 200a und einem zweiten Magnetfluss 200b (siehe 2) besteht, erzeugt, der durch die Aufnehmereinheit 105 erfasst werden kann.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die ersten und zweiten Magnetflüsse 200a, 200b einen Gesamtmagnetfluss 200 ausbilden, der in tangentialer Richtung ausgerichtet ist. An den Positionen 111a, 111b, welche als Sensorpositionen bezeichnet werden, wird der alternierende Magnetfluss 200, 200a, 200b durch die Aufnehmereinheit 105 erfasst, wie in 2 veranschaulicht. In 1 ist ferner ein Koordinatensystem X, Y, Z zur Orientierung angegeben, wobei die Drehachse 208 der Gebereinrichtung 113 parallel zu der z-Achse ausgerichtet ist.
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2 ist ein Schnitt entlang einer Linie A-A der 1, wobei in einer x-Richtung auf die Position gesehen wird, an welcher sich die ersten Geberelemente 101a–101n und die zweiten Geberelemente 102a–102n und die Aufnehmereinheit 105 gegenüberstehen. Mit den Bezugszeichen 201, 202, 203 bzw. 204 sind ein erster Luftspalt, ein zweiter Luftspalt, ein dritter Luftspalt, bzw. ein vierter Luftspalt bezeichnet, welcher jeweils zwischen den ersten und zweiten Geberelementen 101a–101n, 102a–102n und der Aufnehmereinheit 105 ausgebildet ist. Auf die Auswirkungen der unterschiedlichen Luftspalte 201–204 wird untenstehend unter Bezugnahme auf die 3, 9(a), 9(b), 10(a) und 10(b) eingegangen werden.
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Die in 1 gezeigte Aufnehmereinheit 105 weist erste und zweite Ausgangsanschlüsse 106a, 106b auf, an welchen ein Sensorsignal abgegriffen werden kann. Zu diesem Zweck ist der Ausgangsanschluss 106a über einen Längswiderstand 108 mit einem Spannungsversorgungsanschluss 107 verbunden, während der zweite Ausgangsanschluss 106b mit Masse 109 verbunden ist. Zur Glättung ist zwischen die ersten und zweiten Ausgangsanschlüsse 106a, 106b ein Glättungskondensator 110 geschaltet. Somit kann ein geglättetes Ausgangssignal 207 zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 106a und Masse 109 abgegriffen und weiterverarbeitet werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass dies nur ein Beispiel für die Ausgabe des Sensorsignals ist. Andere Schnittstellen können andere Verbindungen benötigen.
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Es sei weiterhin darauf hingewiesen, dass die untenstehend unter Bezugnahme auf die 9(a), 9(b), 10(a) und 10(b) beschriebenen Magnetflüsse diesem Ausgangssignal 207 in ihrem Verlauf entsprechen. Die in den 9 und 10 gezeigten Kurvenformen sind untenstehend genauer diskutiert.
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Ferner sei darauf hingewiesen, dass die in 1 dargestellte Gebereinheit 113 eine Referenzposition bzw. einen Referenzerfassungsbereich 213 aufweist, derart, dass das Magnetfeld von drei nebeneinander liegenden Geberelementen 101, 102 durch eine magnetische Abschwächungseinheit 104 (in der 1 gestrichelt dargestellt) abgeschwächt sind. Dementsprechend ist an dieser Referenzposition der Wert des Magnetfeldes um einen positiven Faktor (< 1) gegenüber einer entsprechenden anderen Position, beispielsweise einer Position auf der radial gegenüberliegenden Seite des Polrades, verändert.
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Ferner ist in 1 unter Bezugnahme auf die Gebereinheit 113 ein Teilungsabstand 206 definiert, welcher einer Summe von Breiten einer der ersten 101a–101n und einer der zweiten Geberelemente 102a–102n in der Richtung der Relativbewegung 300 (2) entspricht.
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3 zeigt einen tangentialen Magnetfluss
209 als Funktion einer Erfassungsposition für unterschiedliche Luftspalte
201–
204. Hierbei sind diejenigen Luftspalte, die den Kurven
201–
204 entsprechen, von unterschiedlicher Größe. So entspricht einem ersten Kurvenverlauf
201 ein Luftspalt von 1 mm, einem zweiten Kurvenverlauf
202 entspricht ein zweiter Luftspalt von 2 mm, einem dritten Kurvenverlauf
203 entspricht ein dritter Luftspalt von 3 mm und ein vierter Kurvenverlauf
204 entspricht einem vierten Luftspalt von 4 mm. Es sei darauf hingewiesen, dass in
3 der Magnetfeldverlauf dargestellt ist, der einem einzigen Magnetisierungselement (NS-Element, Nord-Süd-Pol) entspricht. Bei einer generischen Anordnung von magnetischen Dipolen kann der Gesamtfluss entlang der tangentialen Richtung durch eine folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden.
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Hierbei entspricht die Funktion h(y) einer Funktion, die den tangentialen Fluss darstellt, der durch einen einzigen Dipol erzeugt wird. Ein derartiger Fluss ist unter Bezugnahme auf 4 in einer zweidimensionalen Ebene dargestellt, wobei durch die Bezugszeichen 212a–212m angezeigte Linien magnetische Flusslinien darstellen, während die Bezugszeichen 112a, 112b den magnetischen Dipol zeigen. Hierbei stellt, wie auch unter Bezugnahme auf die 1 und 2 erläutert, die y-Richtung eine tangentiale Richtung in Bezug auf die Gebereinheit 113 dar.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Beziehung in der obenstehend Gleichung (1) dann gilt, wenn es sich bei den einzelnen magnetischen Dipolen um N-S-Elemente handelt. Für den allgemeinen Fall, d. h., bei einem Vorsehen von N-S-Elementen und S-N-Elementen, wird Gleichung (1) erweitert zu Gleichung (2), die untenstehend dargestellt ist.
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Hierbei entsprechen n der Gesamtanzahl der Elemente und λ einem Einheitsabstand.
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Wie in 3 gezeigt, ist der tangentiale Magnetfluss 209 stark abhängig von dem Luftspalt 201–204. Zur Auslegung zuverlässiger Magnetsensorvorrichtungen ist es jedoch erforderlich, dass zumindest ein differenzieller normalisierter tangentialer Magnetfluss eine geringe Abhängigkeit von dem Luftspalt, d. h., dem Abstand zwischen der Gebereinheit 113 und der Aufnehmereinheit 105 einer Magnetsensorvorrichtung 100 (vergl. 1 und 2) aufweist, und dies bevorzugt nicht nur am Referenzpunkt sondern auch in dessen Umgebung.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Magnetsensorvorrichtung besteht darin, dass der Luftspalt in großen Bereichen variieren kann, ohne das Ausgangssignal 207 der Aufnehmereinheit 105 in der Umgebung des Referenzpunktes (1) zu beeinflussen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der in 3 gezeigte tangentiale Magnetflussverlauf 209 als Funktion der Erfassungsposition 210 für einen magnetischen Dipol dargestellt ist, dessen Feldlinienverlauf 212a–212m magnetischer Flusslinien in 4 zweidimensional veranschaulicht ist. Der in 3 und in den nachfolgend beschriebenen 9 und 10 dargestellte Magnetfeldverlauf ergibt sich dadurch, dass eine Gebereinheit 113, die aus ersten Geberelementen 101 und zweiten Geberelemente 102 (siehe unteren Teil der 9(a)) besteht, an einer Aufnehmereinheit 105 (1) vorbeigeführt wird. Hierbei ergibt sich für den in 3 gezeigten Verlauf für unterschiedliche Luftspalte 201, 202, 203 und 204 eine Mittenposition 211, an welcher sich die Richtung des tangentialen Magnetflusses 209 umkehrt.
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Im Folgenden wird auf die Bereitstellung eines Referenzerfassungsbereichs 213 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingegangen. Erfindungsgemäß wird auf der Gebereinheit 113 über mindestens einer der ersten 101 und/oder zweiten Geberelemente 102 eine magnetische Abschwächungseinheit 104 aufgebracht. Vorzugsweise wird diese magnetische Abschwächungseinheit als eine Beschichtung aufgetragen. Die Schichtdicke liegt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Bereich zwischen 1 µm und 100 µm. Durch die magnetische Abschwächungseinheit 104 wird der Verlauf des Magnetfeldes bzw. der Verlauf des Magnetflusses beeinflusst, der durch die alternierend hintereinander in einer Linie angeordneten ersten und zweiten Geberelemente 101, 102 erzeugt wird.
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Wie in 8 gezeigt, sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung drei Geberelemente in einem Referenzerfassungsbereich 213 durch die magnetische Abschwächungseinheit 104 abgeschirmt. 8 zeigt einen simulierten resultierenden Feldlinienverlauf, wobei beispielhaft einzelne magnetische Flusslinien 212a, 212b, 212c, ... in einer zweidimensionalen Darstellung veranschaulicht sind.
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Zur Referenzpositionserfassung bei einem Polrad bzw. einem linearen Längengeber dient nunmehr nicht wie beim Stand der Technik die Einbringung einer Asymmetrie in der alternierenden Anordnung der ersten und zweiten Geberelemente 101, 102, sondern vielmehr die Absenkung des Magnetflusses in einem vorgegebenen Bereich entlang der in einer Linie alternierend angeordneten ersten und zweiten Geberelemente 101, 102 mit Hilfe der magnetischen Abschwächungseinheit 104. Die Auswirkung der magnetischen Abschwächungseinheit 104 auf den Verlauf der magnetischen Flusslinie 212a–212m ist in 8 qualitativ veranschaulicht. In der nachfolgenden Beschreibung wird unter Bezugnahme auf die 9(a), 9(b), 10(a) und 10(b) veranschaulicht, welchen Einfluss die Abschirmung des Magnetflusses durch die magnetische Abschwächungseinheit 104 auf den Signalverlauf des Ausgangssignals 207 aufweist.
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Die 9(a), 9(b), 10(a) und 10(b) veranschaulichen unterschiedliche tangentiale Magnetflussverläufe als Funktion einer Erfassungsposition 210, wobei die Erfassungspositionen 210 der einzelnen 9(a), 9(b), 10(a) und 10(b) einander entsprechen. Wie in 9(a) in dem unteren Teil der Figur veranschaulicht, erstreckt sich die magnetische Abschwächungseinheit 104 über insgesamt drei Geberelemente 101, 102 und bildet so den Referenzerfassungsbereich 213. Zunächst ist in 9(a) zu erkennen, dass der periodische Verlauf im Gegensatz zu dem Verfahren nach dem Stand der Technik auch in dem Referenzerfassungsbereich 213 nicht gestört, sondern lediglich in der Intensität abgeschwächt ist. D. h., die Amplituden der entsprechenden sinusförmigen tangentialen Magnetflussverläufe variieren in dem Referenzerfassungsbereich 213 nicht so stark wie in den magnetischen nicht abgeschirmten Bereichen links und rechts (bzw. im Gegenuhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn) des Referenzerfassungsbereichs 213.
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In den 9(a), 9(b), 10(a) und 10(b) sind jeweils vier Kurvenverläufe beispielhaft für vier unterschiedliche Luftspaltgrößen dargestellt. So entsprechen die jeweiligen Kurvenverläufe, die mit den Bezugszeichen 201 gekennzeichnet sind, einem ersten Luftspalt, der in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Größe von 1 mm aufweist, die Bezugszeichen 202 bezeichnen einen zweiten Luftspalt der Größe 2 mm, die Bezugszeichen 203 bezeichnen einen dritten Luftspalt der Größe 3 mm, und die Bezugszeichen 204 in sämtlichen 9(a) bis 10(b) bezeichnen einen vierten Luftspalt der Größe 4 mm. Zur Definition des Luftspalts siehe auch 2.
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9(b) zeigt Verläufe eines differenziellen tangentialen Magnetflusses 209' für die gleichen Luftspaltbreiten 201–204, wie sie unter Bezugnahme auf 9(a) gezeigt sind. Die Kurvenverläufe in 9(b) entsprechen dabei den Differenzialen der tangentialen Magnetflussverläufe 209, die in 9(a) gezeigt sind. Eine derartige Differenzierung der tangentialen Magnetflussverläufe 209 wird üblicherweise durchgeführt, um Störungen, etc., die schnelle zeitliche Änderungen aufweisen, zu unterdrücken.
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In der weiteren Signalverarbeitung wird, wie unter Bezugnahme auf 10(a) gezeigt, eine Normalisierung der differenziellen tangentialen Magnetflüsse 209' vorgenommen. Es sei hier darauf hingewiesen, dass dem Fachmann Signalverarbeitungsverfahren zur Differenzierung von Signalverläufen bekannt sind, so dass eine Beschreibung derselben hier weggelassen ist. Die 10(b) zeigt die normalisierten tangentialen Magnetflussverläufe 214 der 10(a) nach einer Normalisierung. Die somit erhaltenen differenziellen normalisierten tangentialen Magnetflussverläufe 214' der 10(b) zeigen in dem Referenzerfassungsbereich 213 ein eindeutiges Verhalten, derart, dass Amplitudenvariationen rechts und links des Referenzerfassungsbereichs 213 im Wesentlichen vermieden werden. Im Vergleich zu dem in 7(b) gezeigten herkömmlichen Signalverlauf, der sich mit der Magnetsensorvorrichtung nach dem Stand der Technik ergibt, sind die in 10(b) gezeigten Variationen in den Signalverläufen rechts und links des Referenzerfassungsbereichs 213 deutlich geringer.
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Auf diese Weise wird eine zuverlässige Referenzpositionserfassung auch beim Auftreten von Fertigungstoleranzen, die sich beispielsweise auf die Größe des Luftspalts 201, 202, 203, 204 auswirken, vermieden. Eine derartige, eindeutige Referenzpositionserfassung wird dadurch ermöglicht, dass die alternierende Anordnung der ersten Geberelementen 101a–101n und der zweiten Geberelemente 102a–102n in einer Linie hintereinander nicht gestört ist.
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Die Referenzpositionserfassung wird ermöglicht, indem lediglich eine magnetische Abschwächungseinheit 104 über bestimmte der ersten und/oder zweiten Geberelemente 101a–101n, 102a–102n gelegt wird. Die magnetische Abschwächungseinheit 104 ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aus einem ferromagnetischen Material gebildet. Es ist vorteilhaft, die magnetische Abschwächungseinheit 104 als eine Beschichtung vorzusehen. Die Schichtdicke kann gemäß einem weiteren bevorzugen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Bereich zwischen 1 µm und 100 µm bereitgestellt werden.
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Die Magnetsensorvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise eine Gebereinheit 113 umfassen, die als ein Polrad ausgebildet ist. Ferner ist es möglich, zur Messung einer Transversalbewegung die alternierenden ersten und zweiten Geberelemente 101, 102 in einer geraden Linie anzuordnen, derart, dass ein magnetisches Lineal bereitgestellt wird. Die alternierend hintereinander in einer Linie angeordneten ersten 101a–101n und zweiten Geberelemente 102a–102n weisen einen vorbestimmten Teilungsabstand 206 (siehe 1) auf, wobei der vorbestimmte Teilungsabstand 206 einer Summe von Breiten einer der ersten 101a–101n und einer der zweiten Geberelemente 102a–102n in der Richtung der Relativbewegung 300 (siehe 2) entspricht.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erstreckt sich die magnetische Abschwächungseinheit 104, mit welcher die mindestens eine der alternierenden ersten und zweiten Geberelemente 101a–101n, 102a–102n abgeschirmt sind, über das 1,5-fache des Teilungsabstands 206.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Sensorvorrichtung
- 101a–101n
- Erste Geberelemente
- 102a–102n
- Zweite Geberelemente
- 103
- Trägereinrichtung
- 104
- Magnetische Abschwächungseinheit
- 105
- Aufnehmereinheit
- 106a, 106b
- Ausgangsanschlüsse
- 107
- Spannungsversorgungsanschluss
- 108
- Längswiderstand
- 109
- Masse
- 110
- Glättungskondensator
- 111a, 111b
- Sensorposition
- 112a, 112b
- Magnetischer Dipol
- 113
- Gebereinheit
- 200, 200a, 200b
- Magnetfluss
- 201
- Erster Luftspalt
- 202
- Zweiter Luftspalt
- 203
- Dritter Luftspalt
- 204
- Vierter Luftspalt
- 205
- Drehrichtung
- 206
- Teilungsabstand
- 207
- Ausgangssignal
- 208
- Drehachse
- 209
- Tangentialer Magnetfluss
- 209´
- Differentieller tangentialer Magnetfluss
- 210
- Erfassungsposition
- 211
- Mittenposition
- 212a–212m
- Magnetische Flusslinie
- 213
- Referenzerfassungsbereich
- 214
- Normalisierter tangentialer Magnetfluss
- 214´
- Differentieller normalisierter tangentialer Magnetfluss
- 300
- Relativbewegung
