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Die
Erfindung betrifft ein magnetisches Wegsensorsystem und insbesondere
ein Wegsensorsystem, welches geeignet ist, die Position eines Bauteiles
durch eine Wandung hindurch zu erfassen.
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Derartige
Wegsensoren in Form von Linearsensoren sind beispielsweise aus
DE 4 425 904 und
DE 3 610 479 bekannt. Die
dort offenbarten Linearsensoren werden dazu verwendet, in Kupplungs-
und Getriebeanwendungen im Automobil die Schaltstellung von Getriebebauteilen
im Inneren des Getriebegehäuses durch die Gehäusewandung
hindurch zu erfassen. Hierzu wird an den Getriebebauteilen ein Permanentmagnet
befestigt. Der eigentliche Sensor wir außerhalb des Getriebegehäuses
im Einflussbereich des Magnetfeldes des Permanentmagneten angeordnet.
Der Sensor besteht aus einem weichmagnetischen Kern, über
dessen gesamte Länge eine erste Wicklung gewickelt ist.
Zusätzlich sind an den beiden Endbereichen jeweils Sekundärwicklungen angeordnet.
Die erste Spule, welche sich über die gesamte Länge
erstreckt wird mit einem Wechselstrom gespeist und über
die beiden Sekundärspulen wird eine induzierte Spannung
erfasst. Der Permanentmagnet erzeugt mit seinem Magnetfeld einen
virtuellen Luftspalt im Kern dieses Sensors, wodurch das Feld der
Primärspulen differenziell in zwei Einzelfelder aufgeteilt
wird. Je nach Position des Permanentmagneten entlang der Länge
des Kerns ändert sich das Teilungsverhältnis des
Feldes der Primärspule, was zur Änderung der Induktionsspannungen
in den Sekundärspulen führt. Hieraus kann ein
Positionssignal ermittelt werden, welches repräsentativ
zur Position des Permanentmagneten relativ zur Länge des Kerns
ist.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, den Aufbau eines derartigen magnetischen
Wegsensors zu vereinfachen, sodass eine kostengünstigere
Herstellung möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein magnetisches Wegsensorsystem mit den im Anspruch
1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden
Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Das
erfindungsgemäße magnetische Wegsensorsystem weist
zumindest einen Magneten, vorzugsweise ein Permanentmagneten, und
zumindest einen Sensor auf, welche relativ zueinander bewegbar angeordnet
sind. Es ist dabei bevorzugt, dass wie bei den bekannten Sensoranordnungen
der Magnet bewegbar und der Sensor fest angeordnet ist, sodass über
den Sensor eine relative Positionsänderung des Magneten
erfasst werden kann. So kann auch bei dem erfindungsgemäßen
Magnetsensorsystem beispielsweise der Magnet im Inneren eines Getriebegehäuses
an einem Bauteil, dessen Position zu erfassen ist, angebracht werden,
während der Sensor von außen an das Getriebegehäuse
angesetzt wird. Es ist jedoch zu verstehen, dass das erfindungsgemäße
Sensorsystem nicht auf diese Anwendung beschränkt ist,
sondern auch bei anderen Anwendungen zum Einsatz kommen kann.
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Der
erfindungsgemäße Sensor, welcher mit dem Magneten
zusammenwirkt, weist einen weichmagnetischen Kern auf, auf welchem
zwei voneinander beabstandete Spulenpaare angeordnet sind. Dabei
bildet der Bereich des Kerns zwischen den voneinander beabstandeten
Spulenpaaren die Messstrecke, entlang derer die Position bzw. Positionsänderung
des Magneten erfassbar ist. Die beiden Spulenpaare be stehen jeweils
aus einer Primärspule und einer Sekundärspule.
Eine der beiden Spulen von Primär und Sekundärspule
kann mit einer Spannung beaufschlagt werden, während die
jeweils andere Spule dazu dient, eine induzierte Spannung zu erfassen.
Wesentlicher Unterschied des erfindungsgemäßen
Sensors zu bekannten Sensoren ist der, dass keine Spule über
die gesamte Länge des Kerns, d. h. entlang der Messstrecke
erforderlich ist. Zwischen den beiden Spulenpaaren ist an dem Kern
keine Wicklung oder Windung angeordnet. Diesem Aufbau liegt die
Erkenntnis zugrunde, dass die Verlagerung des Magneten entlang der
Messstrecke zwischen den beiden Spulenpaaren auch dann zu einer Änderung
der induzierten Spannung in den Spulen führt, wenn keine
der Spulen über die gesamte Länge des Kerns gewickelt
ist. Das Magnetfeld des Permanentmagneten führt in dem
Kern zu einer Permeabilitätsänderung, welche zu
einer Veränderung der induzierten Spannungen in einer der
beiden Spulen des Spulenpaares führt. Wenn die Primärspule,
d. h. die erste Spule, mit einer Eingangsspannung beaufschlagt wird,
wird in der Sekundärspule jedes Spulenpaares eine Spannung
induziert, welche sich mit Verlagerung des Magneten entlang der
Messstrecke aufgrund der Permeabilitätsänderung
des Kernes verändert.
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Die
beiden Primärspulen, welche in den beiden Spulenpaaren
angeordnet sind können gleich- oder gegensinnig bestromt
werden.
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Vorzugsweise
ist der Kern stabförmig ausgebildet und die Spulenpaare
sind an den axialen, offenen Enden des Kernes angeordnet. Die Anordnung jedes
der Spulenpaare auf dem Kern ist somit ähnlich zu einem
Transformator mit offenem Kern. Der Kern kann gerade ausgebildet
sein, auf diese Weise wird ein Wegsensor zur Erfassung einer linearen
Bewegung parallel zu dem Kern geschaffen. Alternativ ist es jedoch
auch möglich, den Kern gebogen bzw. gekrümmt auszubilden
um eine bogenförmige Bewegung parallel zu dem Kern zu erfassen.
Auf diese Weise könnte das magnetische Wegsensorsystem im
Extremfall auch als Drehwinkelsensor zum Einsatz kommen. Die Ausgestaltung
bzw. Erstreckung des Kerns hängt in erster Linie von dem
zu erfassenden Weg bzw. der zu erfassenden Bewegung ab. Der Kern
sollte sich parallel zu dem Bewegungspfad erstrecken, sodass von
dem Sensor die Position des Magneten parallel zu dem Kern erfasst
bzw. bestimmt werden kann.
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Der
Kern ist vorzugsweise aus einem amorphen, nanokristallinen und/oder
kristallinen Material ausgebildet. Dabei kann der Kern homogen aus
einem Material gefertigt sein. Alternativ ist es jedoch auch möglich,
den Kern mehrschichtig oder mehrlagig aus verschiedenen Materialien
aufzubauen, um die gewünschten magnetischen und mechanischen Eigenschaften
zu erreichen. Auch können verschiedene Materialien in Mischung
Verwendung finden. Bevorzugt ist der Kern hinsichtlich seiner magnetischen
Eigenschaften so optimiert, dass er durch den Magneten nicht in
Sättigung gebracht werden kann.
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Vorzugsweise
sind die Primärspulen der Spulenpaare mit einer Spannungsquelle
zur Beaufschlagung mit einer Wechselspannung, weiter bevorzugt einer
sinusförmigen Wechselspannung verbunden. Anstelle einer
sinusförmigen Wechselspannung können jedoch auch
andere Formen von Wechselspannungen, beispielsweise mit rechteckförmigem oder
sägezahnförmigem Verlauf gewählt werden.
Die Spulen können gleich oder gegensinnig bestromt werden.
Die an den Primärspulen angelegte Wechselspannung führt
zu einer induzierten Spannung in den Sekundärspulen der
Spulenpaare.
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Um
aus den Änderungen der induzierten Spannung in den Sekundärspulen
die Position des Magneten in Längsrichtung des Kerns bestimmen
zu können, sind die Sekundärspulen der Spulenpaare weiter
bevorzugt mit einer Auswerteeinrichtung verbunden. Die Auswerteeinrich tung
bestimmt aus den erfassten induzierten Spannungen die absolute Position
des Magneten entlang der Sensor- bzw. Kernachse.
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Dazu
ist die Auswerteeinrichtung bevorzugt derart ausgebildet, dass sie
die in den Sekundärspulen induzierten Spannungen erfasst
und aus den induzierten Spannungen ein Positionssignal repräsentativ
für die aktuelle absolute Position des Magneten relativ
zu dem Sensor bildet. Aus den Änderungen der induzierten
Spannungen kann die Auswerteeinheit die Verlagerung, d. h. den Weg,
um welchen der Magnet relativ zu dem Sensor bewegt wurde, bestimmen.
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Weiter
bevorzugt ist die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet, dass sie
die induzierten Spannungen beider Sekundärspulen durch
Verhältnisbildung miteinander verknüpft. Die Auswerteeinrichtung
ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie die induzierten Spannungen
beider Sekundärspulen ins Verhältnis zueinander
setzen kann, um ein Positionssignal zu erzeugen. Eine solche Auswertung
hat den Vorteil, dass das Positionssignal in weiten Bereichen unabhängig
von der Umgebungstemperatur ist.
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Besonders
bevorzugt erfolgt die Signalverarbeitung in der Auswerteeinrichtung
digital. Dazu können die induzierten Spannungen der Sekundärspulen
zunächst digitalisiert und dann über einen Mikrokontroller
voneinander abgezogen werden. Auf diese Weise kann dann ein Signal
erzeugt werden, welches proportional zum zurückgelegten
Weg des Magneten oder repräsentativ für die absolute
Position des Magneten entlang der Messstrecke ist. Alternativ zu
einer vollständig digitalen Signalverarbeitung, bei welcher die
erfassten induzierten Spannungen direkt digitalisiert werden, ist
auch eine teilweise oder vollständige analoge Signalverarbeitung
möglich.
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Die
Spulen der beiden Spulenpaare sind vorzugsweise derart ausgebildet
oder angeordnet, dass die Primärwicklung innenliegend um
den Kern angeordnet ist und die Sekundärwicklung weiter
außenliegend die Primärwicklung umgibt. Das heißt
die Primärwicklung ist vorzugsweise direkt um den Kern
gewickelt und die Sekundärwicklung ist um die Primärwicklung
gewickelt. Das heißt, die Sekundärwicklung liegt
konzentrisch um die Primärwicklung herum und beide umgeben
gemeinsam den innenliegenden Kern.
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Alternativ
ist es auch möglich, die Spulen der Spulenpaare umgekehrt
anzuordnen, d. h. die Sekundärwicklung ist innen um den
Kern gewickelt und die Primärwicklung umgibt die Sekundärwicklung weiter
außenliegend. Darüber hinaus ist es auch möglich,
Primär- und Sekundärwicklung gemischt gewickelt
auszubilden. Dabei liegen beide Wicklungen in derselben Umfangsebene
um den Kern herum.
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Grundsätzlich
ist festzustellen, dass bei dem erfindungsgemäßen
Sensoraufbau die benötigte Windungszahl in den Spulenpaaren,
d. h. die benötigte Windungszahl für Primärwicklung
und Sekundärwicklung jedes Spulenpaares sehr gering ist.
Aus diesem Grund ist ein Aufbau der Spulen ohne Verwendung der Wickeltechnik
denkbar, d. h. es ist möglich die Spulen aus übereinanderliegenden
Leiterplatten mit dazwischen angeordnetem Kern auszubilden. Dies
ermöglicht eine äußerst kostengünstige Fertigung
des Sensors.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Kern über
seine Länge einen sich ändernden Querschnitt aufweisen
und insbesondere in seiner Mitte einen kleineren oder größeren Querschnitt
als an dem Ende aufweisen. Durch Änderung des Querschnitts
bzw. der Querschnittsfläche des Kerns über die
Länge des Kerns, d. h. die Länge der Messstrecke
kann die Linearität der Kennlinie des Sensors verbessert
werden. Hierzu ist es insbesondere möglich den Kern tailliert,
d. h. in der Mitte ausgedünnt auszubilden. Alternativ kann
der Kern in der Mitte verbreitert oder verdickt ausgebildet sein.
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Gemäß einer
weiteren möglichen Ausführungsform kann zumindest
ein weichmagnetisches Abschirmelement zwischen Magnet und Sensor
angeordnet werden. Die Anordnung eines solchen Abschirmelementes
kann dann von Vorteil sein, wenn durch Überschreiten einer
gewissen Flussdichte des Magneten der Kern in Sättigung
gehen würde. Um dies zu verhindern, kann eine zusätzliche
weichmagnetische Abschirmung zwischen Kern und Magnet angeordnet
werden, um die Funktion des Sensors sicherzustellen.
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Zur
Verbesserung der Linearität der Kennlinie kann das Abschirmelement
derart ausgebildet werden, dass es über die Länge
der Messstrecke das magnetische Feld des Magneten unterschiedlich stark
abschirmt. Hierzu kann insbesondere die Breite der Abschirmung über
die Länge der Messstrecke variiert werden. Insbesondere
kann die Abschirmung über die Länge der Messstrecke
derart tailliert ausgebildet werden, dass sie in der Mitte der Messstrecke am
dünnsten ausgebildet ist und dort die geringste Abschirmung
des magnetischen Feldes des Permanentmagneten erreicht wird.
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Wie
oben beschrieben können bevorzugt die Primärspule
und/oder die Sekundärspule aus miteinander verbundenen
planaren Leiterbahnen ausgebildet sein. Bei dieser Ausbildung in
Planartechnik wird der Kern zwischen planaren Leiterbahnen angeordnet,
welche seitlich des Kerns miteinander verbunden werden, um den Kern
dann nach Art einer Spule zu umgeben.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten
Figuren beschrieben. In diesen zeigt:
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1 schematisch
den Aufbau des erfindungsgemäßen Sensorsystems
mit einem teilweise geschnittenem Spulenpaar und
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2 ein
schematisches Schaltbild der Spulenanordnung gemäß 1.
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Das
erfindungsgemäße Sensorsystem besteht aus einem
Sensor 2 und einem Permanentmagneten 4, wobei
der Permanentmagnet 4 relativ zu dem Sensor 2 entlang
einer Messstrecke 6 bewegbar ist. Diese Bewegung kann entweder
durch Bewegung des Permanentmagneten 4 oder durch Bewegung
des Sensors 2 oder durch Bewegung beider Elemente relativ
zueinander erfolgen.
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Der
Sensor weist einen weichmagnetischen Kern 8 auf, welcher
sich parallel zu der Messstrecke 6 erstreckt. Der Kern 8 weist
an seinen entgegengesetzten Enden jeweils ein Spulenpaar A, und
B auf. Die Messstrecke 6 ist dabei zwischen den Spulenpaaren
A und B gelegen. Im Bereich der Messstrecke 6 ist der Kern 8 frei
von Wicklungen. Die Spulenpaare A und B sind jeweils so ausgebildet,
dass sie eine innenliegende Primärwicklung 10 (10A, 10B)
und eine außenliegende Sekundärwicklung 12 (12A, 12B)
aufweisen. Die beiden Primerspulen 10A und 10B sind in
den Spulenpaaren A und B innenliegend um den Kern gewickelt. Die
Sekundärspulen 12A und 12B sind weiter
außenliegend konzentrisch um die Primärspulen 10A und 10B gewickelt.
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Alternativ
kann die Primärspule 10A mit der Sekundärspule 12A und
die Primärspule 10B mit der Sekundärspule 12B auch
als gemischte Wicklung, d. h., eine Wicklung aus zwei Drähten
ausgebildet werden. Auch wäre es möglich die Sekundärspulen 12A und 12B innenliegend
und die Primärspulen 10A und 10B weiter
außenliegend, die Sekundärspulen 12A und 12B umgebend
anzuordnen.
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Die
Primärspulen 10A und 10B werden mit einer
Eingangsspannung S in Form einer Wechselspannung versorgt, wobei
im gezeigten Beispiel eine gleichgerichtete Bestromung vorgesehen
ist. Alternativ ist auch eine entgegengesetzt gerichtete Bestromung
der beiden Primärspulen 10A und 10B möglich.
Durch die vorzugsweise sinusförmige Eingangsspannung S
wird in den Sekundärspulen 12A und 12B eine
Spannung induziert. Die induzierten Spannungen in den Sekundärspulen 12A und 12B werden bevorzugt
separat an den Anschlüssen 14A und 14B abgegriffen.
Beide Sekundärspulen 12A und 12B sind
mit einer gemeinsamen Masse GND verbunden. Aus den Ausgangssignalen
an den Anschlüssen 14A und 14B wird von
einer nicht gezeigten Auswerteeinrichtung, beispielsweise einem
Microcontroller, ein Spannungsverhältnis gebildet, welches
repräsentativ für die Position des Magneten 4 entlang
der Messstrecke 6 ist. Bei Verlagerung des Magneten 4 entlang
der Messstrecke 6 ändern sich die induzierten Spannungen
in den Sekundärspulen 12A und 12B relativ
zueinander, sodass sich das Verhältnis dieser beiden induzierten
Spannungen zueinander ändert.
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In
dem hier gezeigten Beispiel ist der Permanentmagnet 4 in
einer Richtung parallel zu der Messstrecke 6 magnetisiert.
Es ist jedoch zu verstehen, dass eine Magnetisierung auch in einer
Richtung normal zu der Messstrecke 6 möglich wäre.
Ferner ist zu verstehen, dass zwischen dem Magneten 4 und
dem Kern 8 eine Gehäusewandung angeordnet sein kann,
durch welche hindurch eine Wegerfassung stattfinden soll. Dies kann
beispielsweise das Getriebegehäuse aus Aluminium eines
Automobilgetriebes sein. Ferner ist zu verstehen, dass auch zusätzlich eine
weichmagnetische Abschirmung zwischen Magnet 4 und Kern 8 angeordnet
werden kann, um das Magnetfeld 4 zu dem Kern 8 hin
abzuschwächen, um eine Sättigung des Kernes 8 zu
verhindern.
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Bei
der hier gewählten Anordnung der Sekundärspulen
erfolgt die Änderung der induzierten Spannungen differenziell.
Dadurch ist die Messung des Weges in gewissen Grenzen unabhängig
von Schwankungen der Geberfeldstärke des Permanentmagneten 4,
die z. B. durch Temperatureinflüsse hervorgerufen werden
kann.
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Dadurch,
dass bei dem erfindungsgemäßen Sensorsystem die
Zahl der erforderlichen Windungen der Spulen erheblich reduziert
werden kann, wird ein deutlich einfacherer und kostengünstigerer
Aufbau des Sensors 2 möglich. Auch macht es die
geringe Windungszahl möglich, die Spulen nicht als gewickelte
Spulen sondern als quasi Planarspulen aus übereinanderliegenden
planaren Leiterplatten, deren Leiterbahnen miteinander verbunden
werden, auszubilden.
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- 2
- Sensor
- 4
- Permanentmagnet
- 6
- Messstrecke
- 8
- Kern
- 10A,
10B
- Primärspulen
- 12A,
12B
- Sekundärspulen
- A,
B,
- Spulenpaare
- 14A,
14B
- Anschlüsse
der Sekundärspulen
- S
- Eingangsspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4425904 [0002]
- - DE 3610479 [0002]