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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung einer Position einer Magneteinrichtung längs einer Bewegungsbahn, mit einem ersten Magnetfeldsensor, der zur Bestimmung einer von der Magneteinrichtung bereitgestellten und in einer vorgebbaren Richtung gegenüber der Bewegungsbahn ausgerichteten Magnetfeldkomponente ausgebildet ist, und mit einem zweiten Magnetfeldsensor zur Bestimmung von magnetischen Störeinflüssen auf die Magnetfeldkomponente, sowie mit einer Auswerteeinrichtung, die für eine Auswertung von Sensorsignalen des ersten und des zweiten Magnetfeldsensors und zur Ausgabe eines Positionssignals in Abhängigkeit von den ermittelten Sensorsignalen ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Sensoranordnung.
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Aus der
DE 34 38 120 A1 ist ein störfeldfester Näherungsschalter bekannt, bei dem zwei Sensoren im Abstand voneinander angeordnet und mit einer Differenzschaltung verbunden sind, welche aus den jeweiligen elektrischen Größen der Sensoren ein Differenzsignal bildet. Dabei weist einer der Sensoren von dem Maschinenelement in seiner zu detektierenden Stellung einen kleineren Abstand als der andere auf und beide Sensoren sind relativ zu dem Maschinenelement so angeordnet, dass das auf Grund des Maschinenelements in seiner zu detektierenden Stellung erzeugte Differenzsignal größer als das durch die Störfelder erzeugte Differenzsignal ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung bereitzustellen, die eine verbesserte Messempfindlichkeit aufweisen.
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Diese Aufgabe wird für eine Sensoranordnung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass der zweite Magnetfeldsensor als Planarspule oder als Ringkernspule für eine Erfassung von Magnetfeldern in einer Erfassungsebene ausgebildet ist, deren Flächennormale senkrecht bzw. quer zu der vom ersten Magnetfeldsensor ermittelnden Magnetfeldkomponente ausgerichtet ist.
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Bei einer Planarspule handelt es sich beispielsweise um eine mechanisch/körperlich in genau einer Ebene angeordnete Spule oder um eine Spule, deren zweidimensionale Windungen in zwei oder mehreren eng aneinander liegenden Parallelebenen ausgebildet sind und die eine nahezu ausschließliche, insbesondere ausschließliche, Empfindlichkeit für Magnetfelder aufweist, deren Feldlinien in der Erfassungsebene verlaufen. Eine Planarspule kann beispielsweise als Leiterbahnanordnung in einer einzigen Leiterplattenebene oder als Schichtanordnung von elektrischen Leitern in zwei oder mehreren parallel zueinander ausgerichteten Leiterplattenebenen ausgebildet sein. Bei einer derartigen Gestaltung der Planarspule kann eine kostengünstige Herstellung gepaart mit einer gut vorhersagbaren, insbesondere nahezu ausschließlichen oder ausschließlichen, Empfindlichkeit in der Erfassungsebene gewährleistet werden.
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Bei einer Ausführung des zweiten Magnetfeldsensors als Ringkernspule, insbesondere als Ringkernspule mit einem auf eine Leiterplatte gedruckten Ringkern, wird durch die Nutzung des flussleitenden Ringkerns die Empfindlichkeit des zweiten Magnetfeldsensors in der Erfassungsebene verglichen mit einer Planarspule deutlich erhöht. Vorteilhaft ist es, wenn die Ringkernspule einen auf die Leiterplatte aufgedruckten oder in der Leiterplatte aufgenommenen oder auf die Leiterplatte aufgebrachten Ringkern umfasst. Der Ringkern kann von parallelen Leiterplattenebenen umschlossen sein, auf denen die Spulenwindungen ausgebildet sind. Alternativ kann der Ringkern von Spulenwindungen umgeben sein, die bereichsweise als Leiterbahnen auf einer Leiterplattenoberfläche ausgebildet sind und bereichsweise als Bonddrahtverbindungen ausgebildet sind, die sich über den Ringkern hinweg erstrecken. Hiermit kann eine besonders vorteilhafte und kostengünstige Herstellung des zweiten Magnetfeldsensors gewährleistet werden. Durch Verwendung einer Planarspule oder einer Ringkernspule für den zweiten Magnetfeldsensor weist dieser eine Erfassungsebene auf, in der eine maximale Sensorempfindlichkeit für magnetische Störeinflüsse vorliegt. Dabei ist die Sensorempfindlichkeit des zweiten Magnetfeldsensors unabhängig von der Richtung des Störfelds in der Erfassungsebene. Typischerweise bildet eine Mittelachse oder Rotationssymmetrieachse einer Ringstruktur der Planarspule oder eines Ringkerns der Ringkernspule eine Flächennormale für die Erfassungsebene des zweiten Magnetfeldsensors. Exemplarisch ist davon auszugehen, dass die Erfassungsebene den Ringkern, insbesondere hälftig, schneidet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Flächennormale der Erfassungsebene senkrecht bzw. quer zu der vom ersten Magnetfeldsensor zu ermittelnden Magnetfeldkomponente ausgerichtet ist. Wahlweise kann vorgesehen werden, dass die Erfassungsebene die zu ermittelnde Magnetfeldkomponente zumindest im Wesentlichen umfasst oder zumindest nahezu parallel zu der zu ermittelnden Magnetfeldkomponente angeordnet ist. Hierdurch wird erreicht, dass magnetische Störfelder, die beispielsweise durch weitere Magneteinrichtungen und/oder elektromagnetische Störfelder, die insbesondere von stromdurchflossenen elektrischen Leitern hervorgerufen werden und die zumindest anteilig auch in Richtung der vom ersten Magnetfeldsensor zu ermittelten Magnetfeldkomponente ausgerichtet sind, bei der Ermittlung des Positionssignals berücksichtigt werden können. Derartige Störfelder können insbesondere eine Verstärkung, Abschwächung oder vollständige Auslöschung der vom ersten Magnetfeldsensor zu ermittelnden Magnetfeldkomponente und damit eine unerwünschte Verfälschung der Positionsinformation, die von der Sensoranordnung in Form des Positionssignals bereitgestellt werden soll, bewirken. Dementsprechend kann vorgesehen werden, eine Ermittlung und/oder eine Ausgabe des Positionssignals des ersten Magnetfeldsensors nur dann durchzuführen, wenn zum Zeitpunkt der Messung der zu ermittelnden Magnetfeldkomponente vom zweiten Magnetfeldsensor kein Störfeld gemessen wird, dessen Feldstärke außerhalb eines vorgebbaren Toleranzintervalls, das auch als Signalpegelintervall bezeichnet wird, oder oberhalb eines vorgebbaren Grenzwerts liegt. Durch diese Maßnahmen wird eine hinsichtlich der Ermittlung der Position der Magneteinrichtung längs der Bewegungsbahn hochempfindliche und hinsichtlich von Störeinflüssen robuste Sensoranordnung bereitgestellt.
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Die Begriffe senkrecht und quer sind im Sinne von orthogonal bzw. rechtwinklig zu verstehen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn der erste Magnetfeldsensor als magnetoresistiver Sensor oder als Hallsensor ausgebildet ist. Dadurch kann eine hohe Empfindlichkeit des ersten Magnetfeldsensors für Feldveränderungen in Richtung der zu ermittelnden Magnetfeldkomponente gewährleistet werden. Da magnetische Störfelder sowohl in Richtung der zu ermittelnden Magnetfeldkomponente als auch in anderen Raumrichtungen auftreten können und dadurch zu einer Verfälschung des Sensorsignals des ersten Magnetfeldsensors führen können, ist der zweite Magnetfeldsensor vorgesehen, der eine Erkennung der Störfelder ermöglicht. Hierzu wird das Sensorsignal des zweiten Magnetfeldsensors in der Auswerteeinrichtung beispielsweise für eine zeitweilige Abschaltung von Sensorsignalen des ersten Magnetfeldsensors benutzt werden, um eine Ausgabe von verfälschten Positionssignalen zu verhindern.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Magnetfeldsensor als Ringkernspule mit einem auf eine Leiterplatte oder in eine Vertiefung einer Leiterplatte gelegten oder gedruckten Ringkern ausgebildet ist. Durch die Nutzung des flussleitenden Ringkerns wird die Empfindlichkeit des zweiten Magnetfeldsensors in der Erfassungsebene verglichen mit einer Planarspule deutlich erhöht. Dabei kann vorgesehen werden, dass die Ringkernspule einen auf die Leiterplatte oder in eine Vertiefung der Leiterplatte gelegten Ringkern aus einem ferromagnetischen Material oder einen aus einer gestaltlosen Masse mit ferromagnetischen Materialanteilen auf die Leiterplatte oder in die Vertiefung einer Leiterplatte gedruckten Ringkern umfasst. Dieser Ringkern kann von parallelen, den Ringkern umgebenden, Leiterplattenebenen umschlossen sein, die durch geeignete Leiterbahnen und Durchkontaktierungen die Spulenwindungen für die Ringkernspule bilden. Alternativ kann vorgesehen werden, dass die Spulenwindungen zumindest bereichsweise von Drahtverbindungen, insbesondere Bonddrahtverbindungen, gebildet werden, die auf der Leiterplattenoberfläche ausgebildet sind und/oder die sich bereichsweise über den Ringkern hinweg erstrecken. Hiermit kann eine besonders vorteilhafte und kostengünstige Herstellung des zweiten Magnetfeldsensors gewährleistet werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Auswerteeinrichtung eine Ausgabeschnittstelle zur Ausgabe des Positionssignals zugeordnet ist, die eine Aktualisierungseinrichtung zur Aktualisierung des Positionssignals umfasst, wobei eine Aktualisierung des von der Ausgabeschnittstelle ausgegebenen Positionssignals durch die Aktualisierungseinrichtung erfolgt, wenn ein Signalpegel für das Sensorsignal des zweiten Magnetfeldsensors innerhalb eines vorgebbaren Signalpegelintervalls liegt. Alternativ kann vorgesehen werden, dass anstelle des Signalpegelintervalls ein Grenzwert vorgesehen ist und die Aktualisierung des von der Ausgabeschnittstelle ausgegebenen Positionssignals durch die Aktualisierungseinrichtung erfolgt, sofern der Signalpegel für das Sensorsignal des zweiten Magnetfeldsensors unterhalb des Grenzwerts liegt.
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Dabei kann das Positionssignal an der Ausgabeschnittstelle als Analogsignal oder Digitalsignal ausgegeben werden. Das Positionssignal kann beispielsweise an ein Eingabemodul einer Steuerungseinrichtung bereitgestellt werden, um dort für eine Steuerung oder Regelung einer Aktorposition eingesetzt zu werden. Bei der Aktualisierungseinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Zwischenspeicher handeln, in dem jeweils dann ein aktuell von der Auswerteeinrichtung berechnetes Positionssignal zwischengespeichert wird, wenn der Signalpegel für das Sensorsignal des zweiten Magnetfeldsensors innerhalb des vorgebbaren Signalintervalls liegt. Sofern dies nicht der Fall ist, erfolgt keine Überschreibung des im Zwischenspeicher gespeicherten Positionssignals. Somit erfolgt in denjenigen Zeitabschnitten, in denen auf Grund einer Überschreitung oder Unterschreitung der Intervallgrenzen des Signalpegelintervalls oder einer Überschreitung des vorgebbaren Grenzwerts durch das Sensorsignal des zweiten Magnetfeldsensors ein die Positionsmessung des ersten Magnetfeldsensors in Frage stellender Störeinflusses angenommen werden muss, keine Veränderung des Positionssignals.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass anstelle des zwischengespeicherten und nicht aktualisierten Positionssignals bei Detektion eines Störeinflusses eine Umschaltung der Ausgabeschnittstelle auf ein Fehlersignal vorgenommen wird, sofern dies in geeigneter Weise von der möglicherweise angeschlossenen Steuerungseinrichtung interpretiert werden kann. Die Aktualisierung des Positionssignals durch die Aktualisierungseinrichtung erfolgt vorzugsweise getaktet, insbesondere in einem Arbeitstakt, der von der Auswerteeinrichtung vorgegeben wird, bei der es sich insbesondere um eine digitale Auswerteeinrichtung in Form eines Mikrokontrollers handeln kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem zweiten Magnetfeldsensor Abschirmmittel zugeordnet sind, die für eine, insbesondere zumindest nahezu vollständige, Abschirmung des zweiten Magnetfeldsensors gegenüber der Magnetfeldkomponente der Magneteinrichtung ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme soll verhindert werden, dass die Magnetfeldkomponente der Magneteinrichtung zu einer unerwünschten Blockierung der Ausgabe des aktuellen Positionssignals oder gegebenenfalls zu einer Ausgabe eines Fehlersignals durch die Sensoranordnung führt. Bei den Abschirmmitteln kann es sich beispielsweise um ein Blechteil handeln, das an der den zweiten Magnetfeldsensor tragenden Leiterplatte angebracht ist.
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Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen werden, den zweiten Magnetfeldsensor derart beabstandet von der Magneteinrichtung anzuordnen, dass die Magnetfeldkomponente vom zweiten Magnetfeldsensor nicht als Störfeld erfasst wird. Der Abstand zwischen dem zweiten Magnetfeldsensor und der Magneteinrichtung muss dementsprechend stets so groß sein, dass der von der Magneteinrichtung im zweiten Magnetfeldsensor hervorgerufene Signalpegel beispielsweise maximal 50 Prozent, vorzugsweise maximal 20 Prozent, insbesondere maximal 10 Prozent des Grenzwerts beträgt, der beispielsweise für die Aktualisierung des von der Ausgabeschnittstelle ausgegebenen Positionssignals durch die Aktualisierungseinrichtung vorgegeben werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Magneteinrichtung als Permanentmagnet ausgebildet ist, der an einem linearbeweglich längs der Bewegungsbahn geführten Kolben eines Fluidzylinders angeordnet ist und dass die Auswerteeinrichtung für eine Ausgabe eines Abstands zwischen dem Kolben und dem ersten Magnetfeldsensor als, insbesondere digitales, Positionssignal oder als Schaltsignal ausgebildet ist. Ein häufiges Einsatzgebiet für derartige Sensoranordnungen ist die Verwendung als sogenannter Zylinderschalter. Ein solcher Zylinderschalter wird längs der Bewegungsbahn eines Kolbens eines Fluidzylinders an einem Zylindergehäuse im Bereich einer Position angeordnet, an der bei Eintreffen des Kolbens ein Schaltsignal an eine übergeordnete Steuerungseinrichtung ausgegeben werden soll. Alternativ kann die Sensoranordnung auch für eine Wegmessung eingesetzt werden, um eine relative Position des Kolbens gegenüber dem Zylindergehäuse zu ermitteln. In beiden Fällen dient das Positionssignal der Sensoranordnung zur Überwachung der Bewegung des Kolbens des Fluidzylinders.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt mit einem Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung, die nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist, gelöst. Dabei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: Erfassen der Magnetfeldkomponente der Magneteinrichtung mit dem ersten Magnetfeldsensor und Bereitstellen eines Signalpegels des Sensorsignals des ersten Magnetfeldsensors an die Auswerteeinrichtung, Durchführung einer Berechnung für ein aktuelles Positionssignal in der Auswerteeinrichtung, Erfassen von Magnetfeldern in der Erfassungsebene mittels des zweiten Magnetfeldsensors und Bereitstellen eines Signalpegels des Sensorsignals des zweiten Magnetfeldsensors an die Auswerteeinrichtung, Ausgabe des aktuellen Positionssignals bei Übereinstimmung des Signalpegels des zweiten Magnetfeldsensors mit einem vorgebbaren Signalpegelintervall. Hierbei ist vorgesehen, dass die Signalpegel des ersten Magnetfeldsensors und des zweiten Magnetfeldsensors jeweils von der ermittelten Flussdichte des Magnetfelds in der zugeordneten Erfassungsebene abhängig sind. Ferner wird verfahrensgemäß nur dann ein von der Auswerteeinrichtung berechnetes aktuelles Positionssignal ausgegeben, wenn der Signalpegel des zweiten Magnetfeldsensors innerhalb eines vorgebbaren Signalpegelintervalls oder alternativ unterhalb eines vorgebbaren Grenzwerts liegt. Sofern dies nicht der Fall sein sollte, wird von einem Störeinfluss auf die Magnetfeldkomponente ausgegangen, so dass wahlweise weiterhin ein vorher ohne Störeinfluss ermitteltes Positionssignal oder ein Fehlersignal ausgegeben werden.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Ausgabe des Positionssignals aus einem Zwischenspeicher erfolgt und dass bei Übereinstimmung des Signalpegels des zweiten Magnetfeldsensors mit einem vorgebbaren Signalpegelintervall ein vorhergehend im Zwischenspeicher abgelegtes Positionssignal mit dem aktuellen Positionssignal überschrieben wird, um eine Ausgabe dieses Positionssignals aus dem Zwischenspeicher bis zu einem nachfolgenden Überschreibungsvorgang vorzunehmen. Bei dieser Verfahrensweise wird davon ausgegangen, dass an der Ausgabeschnittstelle der Auswerteeinrichtung stets ein Positionssignal bereitgestellt werden soll. Bei diesem Positionssignal handelt es sich um ein aktuell berechnetes Positionssignal, wenn nicht auf Grund des Signalpegels des zweiten Magnetfeldsensors von einem Störeinfluss auf die Messung des ersten Magnetfeldsensors ausgegangen werden muss. Sofern jedoch auf Grund des Signalpegels des zweiten Magnetfeldsensors von einem Störeinfluss auf die vom ersten Magnetfeldsensor zu ermittelnde Magnetfeldkomponente ausgegangen werden muss, ist zur Vermeidung von Ausgabefehlern für die Sensoranordnung eine wiederholte Ausgabe eines vorhergehend ermittelten Positionssignals vorgesehen, das als korrekt angesehen wird, das jedoch nicht mehr aktuell ist. Dieses Positionssignal wird aus dem Zwischenspeicher solange bereitgestellt, bis erneut ein korrekt ermitteltes aktuelles Positionssignal vorliegt. Das aktuelle Positionssignal wird als korrekt ermittelt angesehen, wenn eine Übereinstimmung des vom zweiten Magnetfeldsensor ermittelten Signalpegels mit dem Signalpegelintervall vorliegt oder der vorgebbare Grenzwert unterschritten ist. In diesem Fall kann das im Zwischenspeicher gespeicherte vorhergehende und veraltete Positionssignal mit dem aktuellen Positionssignal überschrieben werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
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1 eine schematische, seitliche Schnittdarstellung einer Sensoranordnung, die an einem Aktor angeordnet ist,
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2 eine Draufsicht auf die Sensoranordnung und den Aktor gemäß der 1,
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3 eine schematische Schnittdarstellung einer Sensoranordnung zur Erfassung einer Position einer Magneteinrichtung und
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4 eine Draufsicht auf die Sensoranordnung gemäß der 3.
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Ein in den 1 und 2 dargestelltes Aktorsystem 1 ist exemplarisch als fluidisches Aktorsystem 1 ausgebildet, das zur Bereitstellung einer linearen Bewegung längs einer Bewegungsbahn 2 vorgesehen ist und hierzu ebenfalls rein exemplarisch einen fluidischen Aktor 3, eine Sensoranordnung 4, eine Steuereinrichtung 5 und eine Fluidquelle 6 umfasst.
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Der fluidische Aktor 3, der insbesondere als Pneumatikzylinder oder Hydraulikzylinder bezeichnet werden kann, umfasst ein Zylindergehäuse 7, in dem eine vorzugsweise kreiszylindrische Ausnehmung 8 ausgebildet ist. In der Ausnehmung 8 ist ein Arbeitskolben 9 linearbeweglich längs der Bewegungsbahn 2 aufgenommen. Dem Arbeitskolben 9 ist eine Kolbenstange 10 zugeordnet, die das Zylindergehäuse 7 endseitig durchsetzt und die zur Bereitstellung der linearen Bewegung des Arbeitskolbens 9 an ein nicht näher gezeigtes Maschinenteil ausgebildet ist. Exemplarisch umfasst der Arbeitskolben 9 zwei abdichtend an einer Innenwand 11 der Ausnehmung 8 anliegende Dichtscheiben 12, 15, die die Ausnehmung 8 in zwei fluidisch voneinander getrennte Arbeitsräume 16, 17 unterteilen. Jedem der Arbeitsräume 16, 17 ist ein Fluidanschluss 18, 19 zugeordnet, der jeweils mit einem nur schematisch dargestellten Ventilmodul 20, 21 über einen Versorgungsschlauch 22, 23 fluidisch kommunizierend verbunden ist. Jedes der Ventilmodule 20, 21 ist mit der Fluidquelle 6 verbunden und ermöglicht bei Ansteuerung durch ein der Steuereinrichtung 5 zugehöriges Steuermodul 24 eine Bereitstellung von druckbeaufschlagtem Fluid an den jeweiligen Arbeitsraum 16, 17 beziehungsweise eine Abfuhr dieses druckbeaufschlagtem Fluids aus dem jeweiligen Arbeitsraum 16, 17. Dementsprechend kann durch geeignete Bereitstellung von druckbeaufschlagtem Fluid an wenigstens einen der Arbeitsräume 16, 17 die gewünschte Linearbewegung des Arbeitskolbens 9 und der Kolbenstange 10 längs der Bewegungsbahn 2 erzielt werden.
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Um eine Position des Arbeitskolbens 9 längs der Bewegungsbahn 2 zu ermitteln ist die Sensoranordnung 4 vorgesehen. Die Sensoranordnung 4 umfasst einen ersten Magnetfeldsensor 25, einen zweiten Magnetfeldsensor 26, eine Auswerteeinrichtung 27 sowie eine Aktualisierungseinrichtung 28 und eine Ausgabeschnittstelle 29. Zur Verdeutlichung der einzelnen Funktionen sind die Auswerteeinrichtung 27, die Aktualisierungseinrichtung 28 und die Ausgabeschnittstelle 29 jeweils diskret dargestellt, diese können jedoch in einer elektronischen Schaltung, insbesondere in einem integriertem Schaltkreis wie einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller, auch integriert ausgebildet sein.
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Bei dem ersten Magnetfeldsensor 25 handelt es sich beispielsweise um einen magnetoresistiven Messaufnehmer, dessen ohmscher Widerstand sich in Abhängigkeit von einem auf den ersten Magnetfeldsensor 25 in Richtung der Magnetfeldkomponente 100 einwirkenden Magnetfeld verändert. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform der Sensoranordnung kann der erste Magnetfeldsensor alternativ als Hall-Sensor, insbesondere als 2-dimensionaler oder mehrdimensionaler Hall-Sensor ausgebildet sein.
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Ein entsprechendes Magnetfeld wird bei dem Aktorsystem 1 gemäß den 1 und 2 exemplarisch von einem Ringmagneten 30 bereitgestellt, der zwischen den beiden Dichtscheiben 12, 15 des Arbeitskolbens 9 aufgenommen ist und dementsprechend längs der Bewegungsbahn 2 verschiebbar im Zylindergehäuse 7 aufgenommen ist. Somit verändert sich die Position des Magnetfelds gegenüber dem ersten Magnetfeldsensor 25 bei einer Bewegung des Arbeitskolbens 9. Exemplarisch ist in der 1 eine Feldlinie 31 des in axialer Richtung magnetisierten Ringmagneten 30 eingezeichnet. Ferner wird exemplarisch davon ausgegangen, dass eine Erfassungsrichtung 35 des ersten Magnetfeldsensors 25, bei der es sich beispielhaft um eine Raumrichtung handelt, in der der erste Magnetfeldsensor 25 eine hohe, insbesondere eine maximale, Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern aufweist, und die Magnetfeldkomponente 100 parallel zur Bewegungsbahn 2 ausgerichtet sind.
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Für die weitere Betrachtung der Sensoranordnung 4 wird davon ausgegangen, dass der zweite Magnetfeldsensor 26 in nicht näher dargestellter Weise gegenüber dem Magnetfeld des Ringmagneten 30 abgeschirmt ist, sodass eine magnetische Flussdichte im Bereich des zweiten Magnetfeldsensors 26 auf Grund des Ringmagnets 30 so gering ist, dass diese vernachlässigt werden kann. Die nähere Ausgestaltung der Magnetfeldsensoren 25 und 26 ist in den 3 und 4 dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben.
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Gemäß der Darstellung der 1 und 2 sind die beiden Magnetfeldsensoren 25 und 26 über Signalleitungen 32, 33 elektrisch mit der vorzugsweise als Mikrocontroller ausgebildeten Auswerteeinrichtung 27 verbunden. In der Auswerteeinrichtung 27 findet eine Verarbeitung der Sensorsignale des ersten Magnetfeldsensors 25 und des zweiten Magnetfeldsensors 26 statt. Beispielsweise wird anhand eines vom ersten Magnetfeldsensor 25 bereitgestellten Sensorsignals eine relative Lage des Arbeitskolbens 9 mit dem darin angebrachten Ringmagneten 30 längs der Bewegungsbahn 2 bestimmt, die dann als Positionssignal an die Aktualisierungseinrichtung 28 bereitgestellt werden kann. Für eine exakte Positionsbestimmung sollte der exemplarisch als magnetoresistiver Sensor ausgebildete erste Magnetfeldsensor 25 vorzugsweise lediglich mit dem Magnetfeld des Ringmagneten 30 beaufschlagt werden, das längs der Magnetfeldkomponente 100 ausgerichtet ist.
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Um Störeinflüsse, insbesondere in Form von magnetischen Störfeldern, auf den ersten Magnetfeldsensor 25 zuverlässig erkennen zu können, ist der zweite Magnetfeldsensor 26 für eine richtungsunabhängige Erfassung von Magnetfeldern, insbesondere von magnetischen Störfeldern, vorgesehen, deren Feldlinien zumindest anteilig in der exemplarisch eingezeichneten Erfassungsebene 34 verlaufen und somit einen großen Störeinfluss auf den ersten Magnetfeldsensor 25 haben könnten. Derartige Magnetfelder können beispielsweise von einem elektrischen Leiter 37 ausgehen, der senkrecht bzw. quer zur Bewegungsbahn 2 ausgerichtet ist und die Erfassungsebene 34 beispielhaft in normaler Richtung durchsetzt. Bei einem Stromfluss durch den elektrischen Leiter 37 bilden sich, insbesondere parallel zur Erfassungsebene 34 ausgerichtete und schematisch in den 1 und 2 durch die einzeichneten Feldlinien 38 repräsentierte, Magnetfelder aus, die vom ersten Magnetfeldsensor 25 detektiert werden können, da sie zumindest teilweise in der Erfassungsebene 34 verlaufen. Um eine Fehlmessung auf Grund derartiger Störeinflüsse zu verhindern, ist es vorgesehen, dass ein von den Störeinflüssen abhängiges Sensorsignal des zweiten Magnetfeldsensors 26 in der Auswerteeinrichtung 27 verarbeitet wird. Bei einem Überschreiten einer vorgebbaren Obergrenze für ein Signalpegelintervall oder gegebenenfalls zusätzlich einem Unterschreiten einer vorgebbaren Untergrenze für ein Signalpegelintervall oder alternativ einem Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwerts wird zumindest eine Ausgabe eines von der Auswerteeinrichtung 27 anhand des Signalpegels des ersten Magnetfeldsensors 25 ermittelten aktuellen, gegebenenfalls verfälschten Positionssignals unterbunden.
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Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung 27 über zwei Signalleitungen 39, 40 mit der Aktualisierungseinrichtung 28 verbunden ist. Bei der Aktualisierungseinrichtung 28 handelt es sich beispielsweise um einen Zwischenspeicher, in dem jeweils ein als korrekt ermittelt qualifiziertes Positionssignal solange zwischengespeichert wird, bis ein neuerliches Positionssignal eintrifft, das ebenfalls als korrekt ermittelt qualifiziert ist und das das bislang gespeicherte Positionssignal überschreibt. An der Ausgabeschnittstelle 29 wird wahlweise aktiv oder auf Abfrage durch die Steuereinrichtung 5 das jeweils in der Aktualisierungseinrichtung gespeicherte Positionssignal ausgegeben. Sofern also bei einer Ermittlung des Positionssignals auf Grund des Sensorsignals des ersten Magnetfeldsensors 25 in der Auswerteeinrichtung 27 ein Positionssignal berechnet wurde und gleichzeitig ein vom zweiten Magnetfeldsensor 26 bereitgestellter Signalpegel innerhalb des vorgebbaren Signalpegelintervalls oder unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt, wird davon ausgegangen, dass keine äußeren Störfelder in nennenswerter Größe vorliegen. In diesem Fall wird über die Signalleitung 39 das aktuelle Positionssignal an die Aktualisierungseinrichtung 28 bereitgestellt, während über die Signalleitung 40 ein Aktualisierungssignal bereitgestellt wird, das einen Überschreibungsvorgang in dem Zwischenspeicher der Aktualisierungseinrichtung 28 bewirkt. Das nunmehr aktualisierte und aktuelle Positionssignal kann dann über die Schnittstellenleitung 41 an die Ausgabeschnittstelle 29 bereitgestellt werden.
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Wird hingegen bei der Ermittlung des Positionssignals durch die Auswerteeinrichtung 27 festgestellt, dass der Signalpegel des zweiten Magnetfeldsensors 26 außerhalb des vorgebbaren Signalpegelintervalls oder oberhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt, so erfolgt keine Weiterleitung eines Aktualisierungssignals an die Aktualisierungseinrichtung und der dort zwischengespeicherte Positionssignalwert wird nicht aktualisiert. Alternativ kann auch vorgesehen werden, dass in einem solchen Fall eine Löschung des Positionssignalwerts in der Aktualisierungseinrichtung 28 vorgenommen wird, um nach außen zu dokumentieren, dass kein gültiger Messwert vorliegt.
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Aus den 3 und 4 gehen schematisch die Aufbauweisen für den ersten Magnetfeldsensor 25 und den zweiten Magnetfeldsensor 26 hervor. Beim ersten Magnetfeldsensor 25 handelt es sich um einen magnetoresitiven Sensor, der auf einer schematisch dargestellten, insbesondere quaderförmigen, Siliziumplatte 42 ausgebildet ist, die in einem Sensorgehäuse 43 untergebracht ist und die auch als Chip, IC (integrated circuit) oder integrierter Schalkreis bezeichnet wird. Dabei ist der erste Magnetfeldsensor 25 exemplarisch derart auf der Siliziumplatte 42 ausgebildet, dass seine Erfassungsrichtung 35, also die Richtung seiner höchsten Empfindlichkeit für magnetische Felder, parallel zu Längskanten 44 der Siliziumplatte 42 verläuft. Dementsprechend ist der erste Magnetfeldsensor 25 derart ausgebildet, dass er mit einer besonders hohen, insbesondere einer maximalen, Empfindlichkeit Magnetfelder erfassen kann, die längs der Magnetfeldkomponente 100 ausgerichtet sind oder Magnetfeldkomponenten in dieser Richtung aufweisen.
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Der zweite Magnetfeldsensor 26 ist exemplarisch als gedruckte Ringkernspule ausgebildet, bei der zunächst in eine gedruckte Schaltung oder Leiterplatte 46 ein ringförmiger Kanal 47 mit exemplarisch trapezförmigem Querschnitt eingebracht, insbesondere eingefräst, wird. In diesen ringförmigen Kanal 47 werden anschließend mehrere jeweils in gleicher Winkelteilung zueinander angeordnete und den Kanal 47 von einem Innenbereich 48 bis zu einem Außenbereich 49 überspannende, strahlenförmig angeordnete Leiterbahnen 50 eingebracht, die jeweils auf der Oberfläche der Leiterplatte 46 aufliegen und somit dem Querschnitt des Kanals 47 folgen.
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Nach Fertigstellung der Leiterbahnen 50 wird in einem Druckverfahren, insbesondere einem Siebdruckverfahren, aus einer gestaltlosen Masse ein Ring 51 aus einem Materialgemisch mit hohem ferromagnetischem Anteil in den Kanal 47 und darüber hinaus ragend aufgebracht. Das Ringmaterial wird anschließend durch geeignete Maßnahmen wie beispielsweise Erwärmen ausgehärtet. Anschließend werden jeweils benachbarte Leiterbahnen 52 mit Hilfe eines geeigneten Verbindungsverfahrens wie beispielsweise Bonden oder Aufspritzen einer Metallschicht elektrisch mit den Leiterbahnen 50 verbunden, sodass eine elektrische Ringkernspulenstruktur entsteht.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform für die Ringkernspule wird ein Ringkern aus einem metallischen Material in eine kreisförmige Ausnehmung einer Leiterplatte eingelegt, wobei kreisförmig um die Ausnehmung sowohl radial innenliegend als auch radial außenliegend jeweils Durchkontaktierungen vorgesehen sind. Nachfolgend werden auf eine Oberseite und eine Unterseite der Leiterplatte weitere Leiterplatten auflaminiert und anschließend erfolgt eine elektrische Kontaktierung von Leiterbahnen der Leiterplatten in der Art einer Spulenwindung unter Zuhilfenahme der Durchkontaktierungen in der mittleren Leiterplattenlage, um auf diesem Wege eine in die Leiterplattenanordnung integrierte Ringkernspule zu schaffen.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform für die Ringkernspule wird ein Ringkern aus einem metallischen Material auf eine mit radial ausgerichteten Leiterbahnabschnitten versehene Leiterplatte aufgelegt, wobei die Leiterbahnabschnitte endseitig, also bezüglich des Ringkerns radial innenliegend und radial außenliegend mit elektrisch leitenden, freigestellten Kontaktflächen versehen sind. Nach Auflegen des Ringkerns werden Bondverbindungen zwischen radial innenliegenden und radial außenliegenden Kontaktflächen der Leiterbahnabschnitte derart hergestellt, dass sich in elektrischer Hinsicht eine spiralförmige Spulenwicklung um den Ringkern herum ergibt, wodurch die gewünschte Ringkernspule geschaffen wird.
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Im Gegensatz zum ersten Magnetfeldsensor 25, der längs der Erfassungsrichtung 35 seine höchste Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Feldern aufweist, ist der als Ringkernspule ausgebildete zweite Magnetfeldsensor 26 für sämtliche magnetischen Felder in der Erfassungsebene 34 in gleicher Weise empfindlich und kann damit entsprechende Störfelder detektieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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