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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinheit und ein Verfahren zur Bestimmung einer Wegstrecke gemäß den Hauptansprüchen.
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Es gibt vielfältige etablierte Technologien für lineare Wegaufnehmer, die an dieser Stelle nicht alle aufgezählt werden können und sollen. Die Wahl des geeigneten Messprinzips richtet sich offensichtlich nach Länge des zu messenden Weges, geforderter Genauigkeit, zur Verfügung stehendem Bauraum und akzeptablen Kosten.
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Ein sehr einfaches und kostengünstiges Prinzip sind Potenziometergeber (rein elektrische Geber), bei denen entsprechend der linearen Position eines Schleifers ein Widerstand geändert wird und diese Änderung als Messsignal aufgenommen wird.
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Alternativ werden beispielsweise Differenzialtransformatoren eingesetzt (d. h. elektromagnetische Geber), bei denen die Position eines Eisenkerns in Bezug auf zwei Sekundärspulen betrachtet wird, die symmetrisch um eine Primärspule angeordnet sind und so verschaltet werden, dass sich die induzierten Spannungen bei Mittellage des Eisenkerns gerade aufheben. Jede Veränderung der linearen Position des Eisenkerns führt dann zu einer induzierten Summenspannung.
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Ebenfalls sehr verbreitet ist der Einsatz von Differenzialdrosseln (d. h. elektromagnetische Geber), bei denen zwei Spulen in Reihe geschaltet sind. Bei Lageänderung eines Eisenkerns steigt beispielsweise die Induktivität der einen Spule und die der Anderen nimmt ab. Der Mittelabgriff dieser beiden Spulen liefert das Sensorsignal für die nachgeschaltete Auswerteelektronik.
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Weiter alternativ können beispielsweise inkrementale Wegmessungen realisiert werden, indem entlang der Messstrecke Magnetpole, gegebenenfalls in mehreren Spuren, eingeprägt und entsprechend über Hallelementen ausgelesen werden (rein magnetische Geber). Dabei wird nicht die Feldamplitude, sondern nur die Vorzeichenwechsel als Signal genutzt.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Sensoreinheit sowie ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung einer Wegstrecke zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Sensoreinheit sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Wegstrecke gemäß den Hauptansprüchen gelöst.
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Gemäß dem hier vorgestellten Ansatz wird eine Sensoreinheit mit folgenden Merkmalen vorgeschlagen:
- – einem Magnetfeldausbildungselement, wobei das Magnetfeldausbildungselement ausgeformt ist, um an unterschiedlichen Positionen entlang eines Bewegungsbereichs eines Sensorelementes ein Magnetfeld mit unterschiedlichen Magnetfeldrichtungen auszubilden; und
- – das Sensorelement zur Erfassung einer magnetischen Größe, wobei das Sensorelement entlang eines linearen Bewegungsbereichs beweglich angeordnet ist,.
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Auch wird gemäß dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zur Bestimmung einer Wegstrecke vorgeschlagen, wobei das Verfahren unter Verwendung einer Sensoreinheit ausgeführt wird, wie sie beispielsweise vorstehend beschrieben wurde und wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- – Bewegen des Sensorelementes entlang zumindest eines Teilbereiches des linearen Bewegungsbereiches; und
- – Erfassen einer magnetischen Größe durch das Sensorelement und Auswerten der erfassten magnetischen Größe, um die Wegstrecke zu ermitteln, die das Sensorelement bewegt wurde.
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Unter einem Sensorelement kann ein physikalischer Messsignalwandler insbesondere zur Wandlung einer magnetischen Größe in ein elektrisches Signal verstanden werden. Beispielsweise kann ein Hallsensor als Sensorelement oder Teil des Sensorelementes verstanden werden, das in dem vorliegend vorgestellten Ansatz verwendbar ist. Das Sensorelement sollte zumindest ausgeformt sein, um unterschiedliche Magnetfeldrichtungen und/oder Magnetfeldkomponenten voneinander unterscheiden zu können und günstigerweise ein den erfassten Magnetfeldrichtungen und/oder Magnetfeldkomponenten entsprechendes Sensorsignal auszugeben. Das Sensorelement ist dabei entlang eines linearen Bewegungsbereichs beweglich angeordnet. Unter einem linearen Bewegungsbereich kann ein eindimensionaler Bewegungsbereich, beispielsweise nur entlang einer Bewegungsachse verstanden werden. Unter einem Magnetfeldausbildungselement kann ein Element verstanden werden, welches eine bestimmte Magnetfeldkomponente ausbilden oder in einem vorbestimmten Raum einprägen kann. Dabei ist das Magnetfeldausbildungselement so ausgeformt, um an unterschiedlichen Positionen entlang des Bewegungsbereichs ein Magnetfeld mit unterschiedlichen Magnetfeldrichtungen auszubilden. Insbesondere kann ein am Sensorelement befestigter Signalwandler bei einer Bewegung des Sensorelementes eine Veränderung der Magnetfeldrichtung an unterschiedlichen Positionen des Bewegungsbereichs erkennen und hierdurch eine Bestimmung der Wegstrecke im Bewegungsbereich des Sensorelementes vornehmen, um die das Sensorelement entlang des Bewegungswegs tatsächlich bewegt wurde.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die negativen Effekte eines nicht-homogenen Magnetfeldes, welches im Stand der Technik oftmals in einer Randbereichen eines Magneten einer Sensoreinheit auftritt, bei der Messung einer physikalischen Größe dann nicht mehr so stark ins Gewicht fallen, wenn statt der Größe beziehungsweise Stärke des Magnetfeldes die Richtung eines Magnetfeldes ausgewertet wird. Diese Richtung des Magnetfeldes kann durch eine geometrische Ausformung von Teilen des Magnetfeldausbildungselements beeinflusst werden, wobei diese Richtung des Magnetfeldes dann auch noch bei Änderungen der Stärke des Magnetfeldes, die beispielsweise durch Alterung oder Erwärmung eines Magnetfeld-bildenden Permanentmagneten weitgehend konstant bleibt. Wird nun also statt einer Magnetfeldstärke eine Magnetfeldrichtung als magnetische Größe ausgewertet, lässt sich hierdurch vorteilhafterweise eine wesentlich robustere Sensoreinheit schaffen, die auch noch nach einer längeren Betriebszeit präzise Ergebnisse liefert.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Magnetfeldausbildungselement zwei sich gegenüberliegende gekrümmte Flächen aufweisen, zwischen denen sich der lineare Bewegungsbereich des Sensorelementes befindet. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass auf technisch einfache Weise ein Magnetfeld zwischen den gekrümmten Flächen bereitgestellt werden kann, zwischen denen das Sensorelement bewegliche ist, sodass auf das Sensorelement an unterschiedliche Positionen des Bewegungsbereichs auch eine unterschiedliche Richtung des Magnetfeldes wirkt.
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Günstig ist es ferner, wenn die beiden gekrümmten Flächen des Magnetfeldausbildungselements durch zumindest Teile einer Oberfläche von konzentrischen Zylinder- oder Kugelflächen gebildet sind. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass bei der Verwendung von konzentrische in Zylinder- ohne Kugelflächen als gekrümmte Flächen ein Abstand zwischen den gekrümmten Flächen gleich bleibt, sodass sich zwischen den gekrümmten Flächen ein sehr homogenes Magnetfeld ausbilden kann. Dies führte zu einer besseren Erkennung der tatsächlich aktuell auf das Sensorelement wirkenden Magnetfeldkomponente.
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Auch können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die gekrümmten Flächen Polstücke mit unterschiedlichen magnetischen Polaritäten repräsentieren. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass ebenfalls zwischen den gekrümmten Flächen ein sehr homogenes Magnetfeld bereitgestellt werden kann. Zugleich können die gekrümmten Flächen aus eine magnetisierbarem Material bestehen und extern mit unterschiedlichen Polen von einem oder mehreren Permanentmagneten verbunden werden, so dass das Magnetfeldausbildungselement technisch sehr einfach hergestellt werden kann.
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Um einen möglichst hohen Fluss zwischen den gekrümmten Flächen des Magnetfeldausbildungselements zu erreichen, kann ein Gehäuse vorgesehen sein, in dem die gekrümmten auf Flächen eine Gehäusewand bilden. Das Gehäuse kann dabei den linearen Bewegungsbereich umschließen, wobei beispielsweise eine seitliche Abdeckung der gekrümmten Flächen durch entsprechend ausgebildete (beispielsweise gekrümmte) Permanentmagnete realisiert ist. Insbesondere können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die gegenüberliegenden Flächen Teil einer Gehäusewand bilden, durch den oder in dem der lineare Bewegungsbereich verläuft. Auf diese Weise lässt sich durch die Einhausung zumindest eines teile des linearen Bewegungsbereiches eine sehr gute Führung von Magnetfeldlinien erreichen, die wiederum die Ausbildung eines sehr homogenen Magnetfeldes zwischen den gekrümmten Flächen ermöglicht.
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Besonders kostengünstig kann die Sensoreinheit hergestellt werden, wenn zumindest eine Gehäusewand durch ein Blech-Formteil gebildet ist.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Magnetfeldausbildungselement hülsenförmig ausgeformt sein, wobei ein linearer Bewegungsbereich des Sensorelementes entlang einer Symmetrieachse des hülsenförmigen Magnetfeldausbildungselementes angeordnet ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass ein sehr großer linearer Bewegungsbereich des Sensorelementes möglich wird. Dabei hängt der lineare Bewegungsbereich im Wesentlichen von einer Länge des hülsenförmig ausgeformten Magnetfeldausbildungselementes ab.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Magnetfeldausbildungselement zwei gegenüberliegende helixförmige Polstücke aufweisen, die sich einer Innenwand des hülsenförmigen Magnetfeldausbildungselementes um die Symmetrieachse erstrecken. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass hierdurch ein linearer Bewegungsbereich für das Sensorelement möglich wird, welcher in seiner Längserstreckung beliebig lang sein kann. Auch kann durch eine auf Wahl der Steigung der Helix eine Änderungsgeschwindigkeit von Magnetfeldrichtungen bei einer Bewegung des Sensorelementes des entlang des linearen Bewegungsbereichs beeinflusst werden, sodass auch unterschiedliche Genauigkeiten bei der Bestimmung der Messgröße möglich werden. Denkbar ist auch, dass die in helixförmig in Polstücke in unterschiedlichen Abschnitten des linearen Bewegungsbereichs unterschiedliche Steigungen aufweisen, sodass unterschiedliche Messgenauigkeiten an unterschiedlichen Abschnitten dieses linearen Bewegungsbereichs des Senderelementes realisierbar werden.
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Um ein besonders stabiles Magnetfeldausbildungselement bereitzustellen, welches auch nach einer langen Benutzungsdauer noch präzise eine gewünschte Magnetfeldrichtung an unterschiedlichen Positionen des linearen Bewegungsbereichs einprägt, kann das Magnetfeldausbildungselement ein Kunststoffträgermaterial aufweist, in oder auf das Polstücke zur Ausbildung des Magnetfeldes mit den unterschiedlichen Magnetfeldrichtungen eingebettet und/oder aufgebracht sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Sensorelement einen Sensor aufweisen, der auf einem Trägerstab angeordnet ist, wobei der Trägerstab in einer Längserstreckungsrichtung entlang des linearen Bewegungsbereiches beweglich ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer besonders einfachen Bewegung des Sensors entlang des linearen Bewegungsbereichs. Der Trägerstab kann beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem anderen nicht-magnetischen Material hergestellt sein, wodurch einerseits geringe Herstellungskosten für einen solchen Trägerstab möglich sind und andererseits ein Magnetfeld um den Sensor möglichst wenig gestört wird. Ferner kann auch der Sensor an einer Stirnseite des Trägerstabs angeordnet sein, um ein möglichst durch den Trägerstab ungestörtes Magnetfeld bzw. Magnetfeldrichtungen erfassen zu können.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1a eine Schnittdarstellung durch eine Sensoreinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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1b ein Diagramm, in dem ein Zusammenhang zwischen dem Abstand eines Sensors von einer Position des Bewegungsbereiches (Z-Richtung), in dem Magnetfeldlinien in einem Winkel, auf den Sensor eintreffen;
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1c eine perspektivische Darstellung einer Sensoreinheit gemäß 1a, wobei zum besseren Verständnis eine Angabe von Achsenorientierungen eines Koordinatensystems abgebildet ist;
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2a eine Schnittdarstellung einer Sensoreinheit gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2b eine perspektivische Darstellung einer Sensoreinheit gemäß 2a, wobei zum besseren Verständnis eine Angabe von Achsenorientierungen eines Koordinatensystems abgebildet ist;
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3 eine perspektivische Darstellung einer Sensoreinheit gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4a eine perspektivische einer Sensoreinheit gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei ebenfalls ein Koordinatensystem wiedergegeben ist;
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4b eine Schnittdarstellung durch ein Magnetfeldausbildungselement, wie es in dem in
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4a wiedergegebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei einige resultierende Feldlinien ebenfalls eingezeichnet sind;
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4c ein Simulationsdiagramm für die Feldlinienverteilung für ein Magnetfeldausbildungselement, wie es in dem in 4a wiedergegebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
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5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren.
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Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
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Die Beschränkung auf das Vorzeichen der Normalkomponente des Feldes gemäß Lösungsansätzen im Stand der Technik reduziert die Nützlichkeit des rein magnetischen Messprinzips, da ein großer Teil der im Feldverlauf vorhandenen Information nicht genutzt wird. Ein Nachteil magnetfeldamplitudenbasierter Messsysteme liegt gleichzeitig darin, dass diese stark abhängig vom relativen Abstand zwischen Hallelement und Magnetpol sind, sodass beispielsweise ein Spiel zu Messwertverfälschungen oder Störsignalen führen würde. Weiter kann sich durch Alterung der Magnete oder mit Temperaturänderungen, die Feldamplitude ändern, ebenfalls mit dem Ergebnis von Fehlmessungen.
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Bei einem Messprinzip, das auf der Auswertung der Feldrichtung beruht, gelten diese Einschränkungen nicht bzw. in deutlich geringerem Ausmaß. Im Gegensatz zu amplitudenbasierten Messverfahren sind feldrichtungsorientierte Messverfahren prinzipiell weniger störanfällig und robuster. Es gibt auch Einsatzgebiete amplitudenorientierter magnetfeldmessender Sensoren, dabei ist jedoch der Messbereich in der Regel auf kleine Bereiche von wenigen mm begrenzt, da das Magnetfeld stark nicht-linear mit dem Abstand abnimmt. Da messtechnisch ein lineares Kennlinienverhalten von Vorteil ist, scheiden diese Messprinzipien deshalb häufig aus.
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Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist die kostengünstige Verfügbarkeit von magnetischen Winkelsensoren, von Sensorelementen also, die den Winkel des magnetischen Feldes in weiten Grenzen unabhängig von der absoluten Feldstärke detektieren können. Ein Beispiel für solche Sensorelemente sind integrierte Winkel-Hall-Sensoren. Aufbau und Funktion dieser Elemente ist nicht Gegenstand der Erfindung. Solche Elemente sind in vielfältigem Einsatz zur Winkelmessung beispielsweise an rotierenden Komponenten oder Stellgliedern, die einen begrenzten Winkelbereich überstreichen.
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Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist es daher, diese kostengünstigen Bauelemente zur Darstellung eines einfachen Wegaufnehmers mit hoher Linearität zu verwenden. Insbesondere ermöglicht es der hier vorgeschlagene Ansatz, die Wegmessung durch eine Winkelmessung des magnetischen Feldes darzustellen. Diese Vorgehensweise bietet eine Möglichkeit, eine Messung kontinuierlich (d. h. nicht inkremental) durchzuführen, wobei die Messung ferner weitgehend unabhängig von der magnetischen Feldstärke und damit von Einflüssen der Temperatur und Alterung auf die Magnete ist. Vorliegend werden insbesondere zwei qualitativ unterschiedliche Realisierungen des hier vorgeschlagenen prinzipiellen Lösungsansatzes in geeigneten Magnetkreisen vorgestellt, die eine hohe Linearität des Sensors ohne nachträgliche Signalbearbeitung erlauben. Innerhalb gut umsetzbarer Fertigungstoleranzen beeinträchtigt das Lagerspiel nicht das Sensorsignal. Des Weiteren führt die Auslegung des Magnetkreises auch dazu, dass externe Magnetfelder, die sich störend auf das Messsignal auswirken könnten, nicht auf den magnetfeldmessenden Hall-Sensor wirken bzw. deren Einfluss durch die Schirmwirkung stark geschwächt wird.
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Als Magnetkreis in diesem Sinne werden Anordnungen bezeichnet von magnetischen Fluss erzeugenden Bauteilen (kurz: Magnete) und von magnetischen Fluss leitenden Bauteilen (die im weiteren Verlauf der Beschreibung auch als Polstücke bzw. Rückschluss bezeichnet werden). Weitere Bauteile, die ausschließlich mechanische Funktionen erfüllen, werden hier nicht beschrieben, da sie in offensichtlicher Weise folgen. Hierzu gehören insbesondere die Halterung des winkelmessenden Elements und dessen Führung.
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Die zu detektierende Bewegung erfolgt in z-Richtung, x- und y-Richtung liegen entsprechend quer dazu. Die Drehung des Feldes über dem Messweg wird durch eine geeignete geometrische Gestaltung des Magnetkreises, insbesondere der Polstücke erreicht. Ziel ist es, eine möglichst lineare Abhängigkeit des Feldwinkels über dem Weg zu realisieren. Weiters ist eine geringe Empfindlichkeit gegen Lageänderung in der x-y-Ebene vorteilhaft, da dadurch die Anforderungen an die Führung des Sensors relativ zum Magnetkreis (Lagerspiel) verringert werden. Beide Ziele können durch geeignete Auslegung des Magnetkreises gleichzeitig erreicht werden.
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Zwei qualitativ unterschiedliche Lösungen erhält man, indem die Drehung des Feldes in der z-x-Ebene erfolgt (Ausführungsbeispiele 1 und 2) bzw. in der x-y-Ebene erfolgt (Ausführungsbeispiele 3 und 4). Weiter kann das Feld frontal erzeugt werden (Ausführungsbeispiele 1 und 3) oder kontinuierlich entlang des Messweges (Ausführungsbeispiele 2 und 4). Im Fall der frontalen Felderzeugung ergibt sich als Variante von Ausführungsbeispiel 1 und 3 die zusätzliche Möglichkeit, beidseitig Magnete zu installieren (vorne und hinten im Sinne der Messrichtung, z). Dadurch erhöht man die Symmetrie des Magnetkreises und damit die erzielbare Linearität des Signals. Gleichzeitig wird es erforderlich, den Sensor seitlich in den Kreis einzuführen, was im Allgemeinen als ungünstig eingeschätzt wird. Diese Ausführungsbeispiele werden daher nicht im Detail anhand von Zeichnungen belegt, sind allerdings explizit ebenfalls beansprucht. Weitere Vorteile der verschiedenen Anordnungen werden im Detail anhand der Zeichnungen beschrieben.
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Ausführungsbeispiel 1 (Feld rotiert in z-x-Ebene, Feld frontal erregt)
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Alle Anordnungen bestehen aus einem magnetischen Winkel-Messelement 1 (Sensor), dass auf einem Schieber 2 (auch als Trägerstab bezeichnet) befestigt ist, wie dies in der 1a dargestellt ist. Die Führung des Schiebers 2, Anschläge etc. sind im Folgenden aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit und der Konzentration auf den Kerngedanken der Erfindung nicht dargestellt. Das magnetische Feld wird über Polstücke 3 und 4 geführt und geformt, und durch einen oder mehrere Permanentmagnete 5 erzeugt. Die Magnetisierung bzw. die Pole der Permanentmagnete sind durch unterschiedliche schraffierte Bereiche markiert, die Feldlinien im Arbeitsluftspalt sind schematisch eingezeichnet.
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Der einfachste Ansatz für eine Drehung des Feldes in z-x-Ebene sind zwei Polstücke 3 und 4, die konzentrische Kreise bilden. Daraus ergibt sich naiv geometrisch ein Winkelverlauf a(z) über dem Weg, der die funktionale Form a(z) = arctan(z/d) annimmt, wobei d der Abstand der Messlinie vom gemeinsamen Zentrum der Kreisflächen ist und die Messstrecke Ihren Nullpunkt durchläuft, wenn das Winkel-Messelement auf der Symmetrieachse der Polstücke liegt. Diese Funktion ist für geringe Winkel in sehr guter Näherung linear, wie aus der 1b zu entnehmen ist.
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Diese Aussage gilt insbesondere unter Vernachlässigung von Feldschwächungen zum Rand des Messbereichs durch Streuflüsse, die einhergehen mit Winkelabweichungen der Feldlinien relativ zum strikt radialen Verlauf zwischen den Polstücken.
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Bei Drehung des Feldes in z-x-Ebene wird y als Freiheitsgrad in der Gestaltung der Polstücke zunächst nicht benötigt, daher können die Polstücke in dieser Richtung so ausgeformt werden, dass ein möglichst breiter Bereich konstanter Feldrichtung entlang y, lateral zur nominellen Messlinie, erreicht wird. Dadurch wird die mechanische Führung in dieser Raumrichtung unkritisch.
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1c zeigt eine perspektivische Darstellung einer Sensoreinheit gemäß 1a, wobei zum besseren Verständnis eine Angabe von Achsenorientierungen eines Koordinatensystems abgebildet ist.
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Dieses erste Ausführungsbeispiel kann in mehreren unterschiedlichen Varianten modifiziert werden:
- – Die Form der Polstücke kann abweichend von der Form konzentrischer Kreise so gewählt werden, dass die fundamentale Abweichung der naiv geometrisch bedingten funktionalen Abhängigkeit des Signals, sowie besonders die Abweichung durch Streuflüsse am Rande des Messbereichs, minimiert werden.
- – Weiter kann die Anbindung des Magneten an die Polstücke vorteilhaft so gestaltet werden, dass Streuflüsse auf dieser Seite minimiert werden.
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Ausführungsbeispiel 2 (Feld rotiert in z-x-Ebene, Feld entlang der Messrichtung erregt)
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In Erweiterung des vorstehend genannten ersten Ausführungsbeispiels kann die Felderregung durch zwei Permanentmagnete 5 und 6 entlang des gesamten Messweges erfolgen, wie dies in der 2a näher dargestellt ist. 2b zeigt eine perspektivische Darstellung einer Sensoreinheit gemäß 2a, wobei zum besseren Verständnis eine Angabe von Achsenorientierungen eines Koordinatensystems abgebildet ist.
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Vorteilhaft ist bei einem derartigen Ausführungsbeispiel, dass der Sensor beidseitig geführt werden kann (also vor und hinter dem Magnetkreis, in z-Richtung). Dadurch können Lagetoleranzen deutlich verbessert werden. Vorteilhaft ist weiter, dass die gleichmäßige Aussteuerung der Polstücke sich in natürlicher Weise ergibt, da der magnetische Fluss nicht in z-Richtung entlang des Magnetkreises geleitet zu werden braucht. Weiterhin kann als Vorteil eines solchen Ausführungsbeispiels angeführt werden, dass die Polstücke 3 und 4 insbesondere als dünne und preiswerte Blech-Formteile ausgeführt werden können. Vorteilhaft ist weiter, dass sich bei kompakterer Bauform ein größeres für Magnete nutzbares Volumen ergibt, sodass schwächere und preisgünstigere Magnetmaterialien verwendet werden können. Zusätzlich ist vorteilhaft der Magnetkreis weitgehend in sich geschlossen, und dadurch gegen Streufelder und magnetische Störungen unempfindlich.
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Ausführungsbeispiel 3 (Feld rotiert in x-y-Ebene, Feld frontal erregt)
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Alternativ zur Drehung des Feldes in x-z-Ebene (entsprechend den Ausführungsbeispielen 1 und 2) kann, das Feld in der x-y-Ebene gedreht werden, wie es aus der 3 ersichtlich ist. Vorteilhaft ist in diesem Ausführungsbeispiel, dass die Drehung des Feldes in der x-y-Ebene vollständig geometrisch entkoppelt ist von dem zu detektierenden Weg in z-Richtung. Hierbei werden die Polstücke 3 und 4 vorteilhaft als helixförmige Hülsenschnitte mit gleichmäßiger Steigung ausgeformt, sodass sich auf der Symmetrieachse ein in z-Richtung vollständig linear sich in x-y-Ebene drehendes Feld ergibt. Der Schieber 2 ist daher auf der Symmetrieachse zu führen, was im Allgemeinen der bevorzugten Anordnung entsprechen wird, das magnetische Winkelmesselement 1 ist in diesem Fall so anzuordnen, dass seine Messebene senkrecht zur Symmetrieachse des Zylinders liegt, und der Messpunkt zentriert ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein beliebiger Winkelbereich des Feldes dargestellt werden (durch entsprechend gestaltete Helix-Geometrie), ohne dass der Magnetkreis im Durchmesser zu wachsen braucht.
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Ausführungsbeispiel 4 (Feld rotiert in x-y-Ebene, Feld entlang der Messrichtung erregt)
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In Kombination der Vorteile der vorgenannten Ausführungsbeispiele kann auch bei Drehung des Feldes in x-y-Ebene das Feld kontinuierlich entlang der Messrichtung erregt werden, wie es aus der 4a zu erkennen ist. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft Gebrauch gemacht werden von kunststoffgebundenen Magneten, indem nämlich solche Materialien als durchgehende Hülse 5 ausgeformt verwendet werden, die in geeigneter Weise als helixförmiger Innendipol magnetisiert wird (beispielsweise durch eine geeignete Erregerspule, die in angepasster schraubenförmiger Bewegung durch die Hülse geführt wird). Diese Hülse für sich kann gemeinsam mit einem Schieber 2 und einem magnetischen Winkel-Messelement 1 als Wegsensor dienen.
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Vorteilhaft an einem solchen Ausführungsbeispiel einer Sensoreinheit ist, dass bedingt durch einen recht großen, homogenen Feldbereich im inneren der Hülse Lagertoleranzen des Schiebers relativ zur Hülse weitgehend unkritisch sind. Aus der 4b zeigt zur Verdeutlichung dieses Zusammenhangs hierzu eine Schnittdarstellung durch ein Magnetfeldausbildungselement, wie es in dem in 4a wiedergegebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei einige resultierende Feldlinien ebenfalls eingezeichnet sind. 4c zeigt ein Simulationsdiagramm einer FEM-Simulation für die Feldlinienverteilung für ein Magnetfeldausbildungselement, wie es in dem in 4a wiedergegebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Vorteilhaft an einem derartigen Ausführungsbeispiel eines Sensorelementes gegenüber allen vorgenannten Ausführungsbeispielen ist weiter, dass er beliebig in seiner Messlänge skalierbar ist (für Ausführungsbeispiel 3 ist die lineare Skalierbarkeit dadurch begrenzt, dass das Feld lokal an einem Ende des Sensors erregt wird), insbesondere können Wegsensoren aufgebaut werden,
- – die auf der analogen Auswertung der Drehung des Feldes um einen absoluten Winkel < 360° ausgehen oder
- – die in Kombination die Drehung um einen Winkel von 360° analog auswerten, und zusätzlich die Zahl der Umläufe (beispielsweise Vorzeichenwechsel im Messsignal) inkremental auswerten.
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Auf diese Weise kann der Messbereich in weiten Grenzen erhöht werden, ohne die absolute Messauflösung zu vermindern.
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Durch die einfache Skalierbarkeit in der Länge kann insbesondere auf die Auswertung des Messsignals an den Enden (in z-Richtung) des Magnetkreises zugunsten einer entsprechenden Verlängerung des Kreises verzichtet werden (auf diese Weise können mögliche Abweichungen von der strengen Linearität an den Enden der Messstrecke aufgrund von Streufeldern vom Messbereich ausgeschlossen werden).
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Die Magnethülse kann weiter vorteilhaft in eine weichmagnetische Hülse (Polstück 3) eingepasst werden, wodurch einerseits der magnetische Widerstand des Kreises erniedrigt, und das nutzbare Feld erhöht wird, andererseits aber auch insbesondere die Anfälligkeit gegen Streufelder minimiert wird. Weiter vorteilhaft wird durch diese auch mechanische Kapselung die weitere Verbauung vereinfacht.
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Auch sind einzelne Varianten des Ausführungsbeispiels 4 denkbar. Beispielsweise können abweichend von Ausführungsbeispiel 4 zusätzlich Polstücke im Inneren der Hülse verwendet werden zur Optimierung der Feldformung.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren 50 zur Bestimmung einer Wegstrecke. Das Verfahren 50 wird unter Verwendung einer Sensoreinheit wie sie vorstehend beschrieben wurde ausgeführt. Das Verfahren 50 umfasst einen Schritt des Bewegens 51 des Sensorelementes entlang zumindest eines Teilbereiches des linearen Bewegungsbereiches. Ferner umfasst das Verfahren 50 einen Schritt des Erfassens 52 einer magnetischen Größe durch das Sensorelement und Auswerten der erfassten magnetischen Größe, um die Wegstrecke zu ermitteln, die das Sensorelement bewegt wurde.
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Der hier vorgeschlagene Ansatz ist sehr einfach am Produkt nachweisbar, alle Aspekte sind in der Bauteilgeometrie sichtbar, d. h. durch Demontage bzw. gegebenenfalls im Schliff nachweisbar. Aspekte der Aufmagnetisierung können durch geeignete Vermessung des Streufeldverlaufs nachgewiesen werden.
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Eingesetzt werden kann die hier vorgeschlagene Sensoreinheit beispielsweise als Wegaufnehmer, insbesondere in der Mobilhydraulik.
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Zusammenfassend ist anzumerken, dass sich die Erfindung mit einem Wegmesssystem befasst. Der lineare Weg eines Sensorbauteils wird durch das Wegmesssystem in eine Winkeländerung des Magnetfeldes am Ort eines magnetischen Sensors umgesetzt. Dies erlaubt eine präzise Messung langer Wege durch zuverlässige und kostengünstige magnetische Sensoren, z. B. Hallsensoren.
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Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor
- 2
- Trägerstab, Schieber
- 3
- Polstück
- 4
- Polstück
- 5
- Magnet
- 6
- Magnet
- 50
- Verfahren zur Bestimmung einer Wegstrecke
- 51
- Schritt des Bewegens
- 52
- Schritt des Erfassens
