DE102017111342B3 - Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels eines sich drehenden Bauteiles - Google Patents

Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels eines sich drehenden Bauteiles Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels eines sich drehenden Bauteiles, umfassend eine magnetostriktive Sensorstruktur (4), welche mit einem Sende- (17) und Empfangselement (18, 19) gekoppelt ist und entlang welcher sich ein am sich bewegenden Bauteil befestigter Magnet (5, 10, 11) bewegt, wobei das Sende- und das Empfangselement (17; 18, 19) mit einer Auswerteelektronik (14) zur Bestimmung einer Position des sich bewegenden Bauteiles aus einer Laufzeit zwischen Sendeelement (17) und Sättigungszone (6) und zurück von der Sättigungszone (6) zum Empfangselement (18, 19) verbunden sind, wobei das gesendete Signal an der durch den Magnet (5) in der magnetostriktiven Sensorstruktur (4) verursachten Sättigungszone (6, 8) reflektiert wird. Bei einer Vorrichtung, bei welcher eine toleranzfreie Winkelbestimmung eines sich drehenden Bauteiles möglich ist, umfasst die magnetostriktive Sensorstruktur (4) zwei beabstandet zueinander liegende Sensorschleifen (15, 16; 20, 21) und jede Sensorschleife (15, 16; 20, 21) ist in einer Form einer Bewegungsrichtung des sich drehenden Bauteiles angepasst, wobei ein gemeinsames Sendeelement (17) zur gleichzeitigen Einkopplung je eines Impulses in beide Sensorschleifen (15, 16; 20, 21) vorgesehen ist, in dessen Umgebung je ein Empfangselement (18, 19) für jede Sensorschleife (15, 16; 20, 21) zum Empfang des von der Sättigungszone (6, 8) der jeweiligen Sensorschleife (15, 16; 20, 21) reflektierten Impulses positioniert ist, wobei die Empfangselemente (18, 19) mit der Auswerteelektronik (14) zur Bestimmung der Winkelposition aus einem Verhältnis der beiden Laufzeiten in den beiden Sensorschleifen (15, 16; 20, 21) verbunden sind

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels eines sich drehenden Bauteiles, umfassend eine magnetostriktive Sensorstruktur, welche mit einem Sende- und Empfangselement gekoppelt ist und entlang welcher sich ein am sich bewegenden Bauteil befestigter Magnet bewegt, wobei das Sende- und das Empfangselement mit einer Auswerteelektronik zur Bestimmung einer Position des sich bewegenden Bauteiles aus einer Laufzeit zwischen Sendeelement und zu einer Sättigungszone und zurück von der Sättigungszone zum Empfangselement verbunden sind, wobei das gesendete Signal an der durch den Magnet in der magnetostriktiven Sensorstruktur verursachten Sättigungszone reflektiert wird.
  • Es ist bekannt, dass Winkelrotorlagemessungen meist mit magnetischen Messverfahren durchgeführt werden. Die DE 10 2013 213 948 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors, bei welchem ein Positionssignal eines Rotors des Elektromotors von einem, außerhalb einer Drehachse des Elektromotors an einem Stator des Elektromotors angeordneten Sensor abgenommen wird, welches von einer Auswerteeinheit hinsichtlich der Position des Elektromotors ausgewertet wird.
  • Die DE 10 2013 222 366 A1 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors, bei welchem die Rotorpositionserfassung mit einem hohen Sicherheitsniveau erfolgt. Dabei wird das Positionssignal in Abhängigkeit von einer Übertragungsentfernung zwischen Sensorik und Auswerteeinheit bei kurzen Übertragungsentfernungen mittels eines SPI-Protokoll-Signals und/oder bei längeren Übertragungsentfernungen mittels eines PWM-Signals zur Auswerteeinheit übertragen. Diese magnetischen Messverfahren sind hinsichtlich der Magnetkosten und der Toleranzanfälligkeit nicht einfach in bestimmte Systeme, in welchen ein Winkel eines sich drehenden Bauteiles gemessen werden soll, zu integrieren. Die Genauigkeit der Winkelpositionsmessung hängt dabei sehr stark von dynamischen Toleranzen hinsichtlich der Bewegung Magnet zu Sensor ab.
  • Die DE 20 2012 008 717 U1 offenbart eine Sensoranordnung zur Messung des Winkels zwischen Sattelzugmaschine und Auflieger.
  • Die DE 198 10 158 A1 offenbart eine Lenkwinkelsensoreinrichtung zum Erfassen der Winkelstellung des Lenkrads eines Kraftfahrzeugs.
  • Es sind Sensoren der Firma Littelfuse bzw. MTS bekannt, die eine Linearwegmessung mittels Laufzeit ermöglichen. Hierbei wird die Laufzeit eines Impulses in einem linear sich erstreckenden magnetostriktiven Sensorelement gemessen, wobei an diesem magnetostriktiven Sensorelement ein Impulsgeber und ein Empfänger angeordnet sind. Ein Magnet wird eingesetzt, der lediglich eine Sättigungszone in dem magnetostriktiven Sensorelement ausbildet. Magnetisierungsfehler, Inhomogenitäten, Flussvarianz infolge von Herstellungstoleranzen und der Temperaturkoeffizient können näherungsweise vernachlässigt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels eines sich drehenden Bauteiles anzugeben, welches die Vorteile der linearen Laufzeitmessung mittels magnetostriktivem Sensorelement nutzt.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die magnetostriktive Sensorstruktur zwei beabstandet zueinander liegende Sensorschleifen umfasst und jede Sensorschleife in einer Form einer Bewegungsrichtung des Bauteiles angepasst ist, wobei ein gemeinsames Sendeelement zur gleichzeitigen Einkopplung je eines Impulses in beide Sensorschleifen vorgesehen ist, in dessen Umgebung je ein Empfangselement für jede Sensorschleife zum Empfang des von der Sättigungszone der jeweiligen Sensorschleife reflektierten Impulses positioniert ist, wobei die Empfangselemente mit der Auswerteelektronik zur Bestimmung der Winkelposition aus einem Verhältnis der beiden Laufzeiten in den beiden Sensorschleifen verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass durch die gebogene Anordnung zweier Sensorschleifen in beiden Sensorschleifen jeweils eine Impulsmessung und somit Laufzeitmessung durchgeführt werden kann, wobei der Impuls jeweils von der Sättigungszone der entsprechenden magnetostriktiven Sensorschleife reflektiert wird. Eine Messung des magnetischen Flusses bzw. der Richtung des magnetischen Vektors entfällt vollständig, da nur die Sättigungsstelle detektiert wird. Dadurch kann die Laufzeitmessung auch in einem rotativen Verfahren eingesetzt werden. Eine solche Vorrichtung ist immun gegen magnetische Störfelder und erlaubt eine Winkelmessung, die tolerant gegenüber Toleranz und Umwelteinflüssen ist.
  • Vorteilhafterweise bestimmt ein Abstand des Magneten zur magnetostriktiven Sensorstruktur die Breite der Sättigungszone. Bei einem großen Abstand verringert sich die Flussdichte in der magnetostriktiven Sensorschleife, wodurch die Sättigungszone schmaler gestaltet wird, wohingegen bei einer Verringerung des Abstandes des Magneten zur Sensorstruktur die Sättigungszone breiter wird. Durch diese Breite kann die Laufzeit der Impulse eingestellt werden, da bei breiteren Sättigungsbereichen sich die Laufzeit verkürzt.
  • In einer Ausgestaltung ist der Magnet zur magnetostriktiven Sensorstruktur gekippt positioniert. Dadurch lassen sich bei einem Impuls asymmetrische Sättigungszonen einstellen.
  • In einer Weiterbildung ist der am sich drehenden Bauteil befestigte Magnet als Magnetring oder aus zwei gegenüberliegenden Blockmagneten gebildet. Da es nur notwendig ist, zwei entgegengesetzt gegenüberliegende Sättigungszonen zu erzeugen, ist eine Verwendung von einfachen Blockmagneten besonders kostengünstig. Die Verwendung eines Magnetringes erzeugt demgegenüber einen kontinuierlichen Magnetfeldverlauf.
  • Vorteilhafterweise ist die Sensorstruktur in einem den Impuls generierenden und die Auswerteelektronik umfassenden elektronischen Bauelement ausgebildet. Dadurch lassen sich besonders einfache und kleine Vorrichtungen generieren.
  • Alternativ ist die Sensorstruktur in einer Platine ausgebildet, auf welcher das den Impuls generierende und die Auswerteelektronik umfassende elektronische Bauelement positioniert ist. So stellen das elektronische Bauteil und das Trägerelement des elektronischen Bauteils zwar separate Bauteile dar, da aber das Trägerelement als solches in der Vorrichtung immer vorhanden ist, wird auf eine zusätzliche Einrichtung zum Tragen der Sensorstruktur verzichtet, was die Vorrichtung verkleinert.
  • In einer Variante umfassen die innere Sensorschleife und die äußere Sensorschleife jeweils zwei gebogene Sensorelemente. Mittels diesen zwei gebogenen Sensorelementen ist eine redundante Messung möglich, da sowohl in der inneren Sensorschleife als in der äußeren Sensorschleife eine Laufzeitüberwachung erfolgen kann. Durch diese Verwendung von zwei annähernd runden Sättigungsschleifen wird eine Totzone innerhalb der magnetostriktiven Sensorstruktur unterbunden.
  • In einer Ausgestaltung sind die gebogenen Sensorelemente der beiden Sensorschleifen halbkreisförmig ausgebildet, wobei die halbkreisförmigen Sensorelemente einer Sensorschleife kreisähnlich angeordnet sind. Mittels einer solchen Vorrichtung lässt sich einfach ein 360°-Sensor realisieren, um eine vollständige Umdrehung des sich drehenden Bauteiles erfassen zu können.
  • In einer Variante sind die Endenpaare der inneren und der äußeren Sensorschleife um 90° zueinander versetzt angeordnet. Mittels einer solchen Anordnung können je nach Ausbildung der Sättigungszone redundante Signale durch Nutzung beider Sensorschleifen erzeugt werden. Dies erfolgt insbesondere, wenn der Magnet so angeordnet ist, dass ein Sättigungsbereich zwischen einem Endenpaar der äußeren Sensorschleife und einem Endenpaar der inneren Sensorschleife ausgebildet ist.
  • In einer Alternative ist der Sättigungsbereich zwischen den beiden Empfangselementen eines Endenpaares der inneren oder der äußeren Sensorschleife ausgebildet. Ist dies der Fall, kann nur einer der beiden Sensorschleifen zur Laufzeitmessung genutzt werden. Der inaktive andere Teil kann aber weiterhin zur Überprüfung der Funktion eingesetzt werden, jedoch nicht zur exakten Positionsbestimmung.
  • In einer Ausführungsform weist jede Sensorschleife nur ein gebogenes Element auf, welches sich über mehr als 180° erstreckt, wobei das Endenpaar der inneren Sensorschleife von der äußeren Sensorschleife überdeckt wird. In dieser Anordnung können unter der Voraussetzung, dass die Überlappung der inneren und der äußeren Sensorschleife immer größer als die Sättigungszone ist, die innere und die äußere Sensorschleife zur Messung in beide Richtungen verwendet werden.
  • Um die Laufzeit des Impulses entsprechend verlängern zu können und somit die Genauigkeit der Positionsbestimmung des sich drehenden Bauteiles zu erhöhen, sind die gebogenen Elemente der Sensorschleifen mäanderförmig ausgebildet.
  • Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Mehrere davon sollen anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
    • 1: ein Funktionsprinzip der Laufzeitmessung,
    • 2: ein weiteres Funktionsprinzip der Laufzeitmessung,
    • 3: eine Ausführungsbeispiel zur Generierung einer Sättigungszone in einer magnetostriktiven Sensorstruktur,
    • 4: ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Generierung einer Sättigungszone in einer magnetostriktiven Sensorstruktur,
    • 5: ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Generierung einer Sättigungszone in einer magnetostriktiven Sensorstruktur,
    • 6: ein Ausführungsbeispiel zur Verwendung von Blockmagneten,
    • 7: ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung der magnetostriktiven Struktur,
    • 8: ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Anordnung der magnetostriktiven Struktur,
    • 9: ein Ausführungsbeispiel einer magnetostriktiven Sensorstruktur für einen 360°-Sensor,
    • 10: ein weiteres Ausführungsbeispiel einer magnetostriktiven Sensorstruktur für einen 360°-Sensor,
    • 11: ein weiteres Ausführungsbeispiel einer magnetostriktiven Sensorstruktur für einen 360°-Sensor,
    • 12: ein Ausführungsbeispiel einer magnetostriktiven Sensorschleife.
  • In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Funktionsprinzips der Laufzeitmessung bei einem magnetostriktiven Wegaufnehmer dargestellt, welcher einen Winkel eines rotierenden Bauteiles misst. Der magnetostriktive Wegaufnehmer 1 dient zur Messung der Entfernung zwischen zwei Punkten 2, 3, zwischen welchen ein als magnetostriktive Sensorstruktur 4 ausgebildeter Wellenleiter angeordnet ist, entlang welchem sich ein Permanentmagnet 5 bewegt. In den Punkten 2, 3 wird jeweils ein Stromimpuls in die magnetostriktive Sensorstruktur 4 eingekoppelt. Der Strom erzeugt ein zirkulares Magnetfeld, das aufgrund weichmagnetischer Eigenschaften der magnetostriktive Sensorstruktur 4 in diesem gebündelt wird. An der zu messenden Stelle des Weges ist der bewegliche Permanentmagnet 5 als Positionsgeber eingesetzt, dessen magnetische Feldlinien rechtwinklig zum Impulsmagnetfeld verlaufen und ebenfalls in der magnetostriktive Sensorstruktur 4 gebündelt werden. In dem Bereich der magnetostriktive Sensorstruktur 4, wo beide Magnetfelder sich überlagern, entsteht eine elastische Verformung durch Magnetostriktion, die einer Sättigungszone 6 entspricht. An dieser Sättigungszone 6 werden die jeweils in den Punkten 2, 3 eingespeisten Impulse reflektiert. In den Punkten 2 und 3 werden die reflektierten Impulse wieder empfangen und deren Laufzeit bestimmt. Aus dem Verhältnis der beiden Laufzeiten wird auf die Position des Permanentmagneten 5 geschlossen, der an dem sich drehenden Bauteil befestigt ist.
  • 2 zeigt ein weiteres Funktionsprinzip der Laufzeitmessung, bei welchem mehrere Punkte 2, 3, 7 zur Impulseinkoppelung und -messung genutzt werden. Jeder Punkt 2, 3, 7 entspricht dabei einem vorgegebenen Winkel, so beispielsweise der Punkt 7 einem Winkel von 0°, der Punkt 3 einem Winkel von 180° und der Punkt 2 einem Winkel von 360°. An jedem Punkt 2, 3, 7 werden in entgegengesetzte Richtungen der magnetostriktiven Sensorstruktur 4 Impulse eingekoppelt und von der jeweils sich in der Sensorstruktur 4 zwischen zwei Punkten 2, 3 bzw. 3, 7 entstehende Sättigungszonen 6, 8 reflektiert. Da dem Einspeise- und gleichzeitig Empfängerpunkten 1, 2 und 7 jeweils eine feste Winkelposition zugeordnet ist, lässt sich aus den unterschiedlichen Laufzeitmessungen redundant auf die Position des Permanentmagneten 5 schließen.
  • In 3 ist ein Ausführungsbeispiel zur Generierung der Sättigungszone der magnetostriktive Sensorstruktur 4 dargestellt. Die magnetostriktive Sensorstruktur 4 ist dabei auf einer Leiterplatte 9 befestigt. Dieser gegenüberliegend ist der Permanentmagnet 5 zentrisch zur Drehachse 12 angeordnet, wobei die linke Seite den Südpol S und die rechte Seite den Nordpol N darstellt. In der bereits erläuterten Art bilden sich Sättigungszonen 6, 8 aus, wobei unter diesen Sättigungszonen 6, 8 eine Magnetisierung verstanden wird, deren Wert durch eine Erhöhung der äußeren magnetischen Feldstärke nicht überschritten wird.
  • Bei zentrischer Anordnung des Permanentmagneten 5 gegenüber der magnetostriktive Sensorstruktur 4 entstehen gleich breite Sättigungszonen 6, 8 im Signal des reflektierten Impulses. Diese Breite der Sättigungszonen 6, 8 lässt sich infolge einer Abstandsänderung des Permanentmagneten 5 zur magnetostriktive Sensorstruktur 4 variieren, wie es in 4 dargestellt ist. 4a zeigt einen größeren Abstand zwischen Permanentmagnet 5 und magnetostriktive Sensorstruktur 4, wodurch beide Impulse einen geringeren Sättigungsabstand aufweisen. Wird, wie in 4b dargestellt, der Permanentmagnet 5 näher an die magnetostriktive Sensorstruktur 4 herangebracht, so verbreitert sich die Sättigungszone 6, 8 infolge einer höheren Flussdichte in der magnetostriktiven Sensorstruktur 4.
  • Auch durch eine Verkippung des Permanentmagneten 5 zur magnetostriktive Sensorstruktur 4 können verschiedene Breiten der Sättigungszonen 6, 8 eingestellt werden, wie es in 5 verdeutlicht ist. Dabei bewirkt die Verkippung des Permanentmagneten 5 asymmetrisch breite Sättigungszonen 6, 8.
  • In den vorhergehenden Beispielen wurde davon ausgegangen, dass es sich bei dem Permanentmagneten 5 um einen Magnetring handelt, der an dem sich drehenden Bauteil befestigt ist, dessen Position detektiert werden soll. Ein kontinuierlicher Magnetfeldverlauf, wie er durch den Magnetring erzeugt wird, ist aber für die Verwendung der Winkelmessung nicht unbedingt notwendig. So können anstelle des Magnetringes auch zwei Blockmagneten 10, 11 gegenüber der magnetostriktiven Sensorstruktur 4 angeordnet werden, die in ihrer Positionierung entgegengesetzt gepolt sind und den gleichen Abstand zur Drehachse 12 aufweisen. Mittels diesen zwei Blockmagneten 10, 11 werden nur zwei Sättigungszonen 6, 8 für die Impulsmessung erzeugt, die bei der gegenüberliegenden Anordnung der beiden Blockmagneten 10, 11 entstehen.
  • In 7 ist ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung der magnetostriktiven Sensorstruktur 4 gezeigt. Die Sensorstruktur 4 ist dabei vereinfacht als Ring dargestellt und weist in vorgegebenen Abständen Punkte 1, 2, 7 zum Einkoppeln von zwei in entgegengesetzte Richtung laufenden Impulsen und zum Empfang der reflektierten Impulse auf. Eine solche Sensorstruktur 4 ist in einem Chip 13 ausgebildet, wobei das Zentrum des Chips 13 von einer elektronischen Baueinheit 14 zur Impulsgenerierung und Auswertung gebildet wird. Die Sensorstruktur 4 umschließt dabei die elektronische Baueinheit 14. Ein solcher Chip 13 ist auf der Leiterplatte 9 befestigt. Da wie schon bereits erläutert, den vorgegebenen Punkten 2, 3, 7 feste Winkelgrade zugeordnet sind, erfolgt beispielsweise eine Impulseinkopplung und der Empfang der reflektierten Impulse bei 0° und bei 360°, wobei die durch den Permanentmagneten 5 hervorgerufenen Sättigungzonen 6, 8 zwischen 0° und 180° bzw. 180° und 360° der Sensorstruktur 4 liegen. Durch die Anordnung der Sensorstruktur 4 im Chip 13 wird ein universal ausgebildeter Chip realisiert, der an die verschiedensten Anwendungen angepasst werden kann.
  • In einem alternativen Ausführungsbeispiel, wie es in 8 dargestellt ist, sind der Chip 13, welcher das elektronische Baueinheit 14 zur Impulserzeugung und Impulsauswertung trägt, auf der Leiterplatte 9 positioniert, während die Sensorstruktur 4 innerhalb der Leiterplatte 9 ausgebildet und mit dem Chip 13 verbunden ist.
  • In 9 ist ein Ausführungsbeispiel einer magnetostriktiven Sensorstruktur 4 eines 360°-Sensors dargestellt. Für einen solchen Sensor besteht die Sensorstruktur aus zwei Sensorschleifen 15, 16, wobei jede Sensorschleife 15, 16 zwei halbrunde Sensorelemente 15.1, 15.2 bzw. 16.1, 16.2 umfasst. Die beiden Sensorelemente 16.1, 16.2 der inneren Sensorschleife 16 sind annähernd kreisförmig angeordnet. Dasselbe gilt für die beiden Sensorelemente 15.1, 15.2 der äußeren Sensorschleife 15, die die innere Sensorschleife 16 umschließen. In dieser Struktur werden durch den nicht weiter dargestellten Permanentmagneten 5 zwei Sättigungszonen 6, 8 erzeugt, die beide Sensorschleifen 15, 16 umfassen. Die sich gegenüberliegenden Enden 15.3, 15.4; 16.3, 16.4 der beiden Sensorelemente 15.1, 15. 2; 16.1, 16.2 einer Sensorschleife 15, 16 bilden damit immer ein Endenpaar, dem ein Sendeelement 17 zugeordnet ist. Jedem Ende 15.3, 15.4; 16.3, 16.4 des Sensorelementes 15.1, 15.2; 16.1. 16.2 ist dabei ein separater Empfänger 18, 19 zum Empfang der reflektierten Impulse zugeordnet. Im vorliegenden Fall werden durch das Sendeelement in ein Endenpaar 15.3, 15.4; 16.3, 16.4 jeweils zwei Impulse in entgegengesetzte Richtung eingekoppelt, die von der in dem entsprechendem Sensorelement 15.1, 15.2; 16.1, 16.2 entstandenen Sättigungszone 6, 8 zurückreflektiert werden. Bei der Verwendung von zwei Sensorschleifen 15, 16 zur Positionsmessung ist ein redundantes System gegeben.
  • In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen 360° Sensor gezeigt. Dabei zeigt 10a noch einmal das bereits in Zusammenhang mit 9 erläuterte redundante System, bei welchem der Sättigungszonen 6, 8 außerhalb von den Enden 15.3, 15.4; 16.3, 16.4 der Sensorelemente 15.1, 15.2; 16.1, 16.2 liegen. Liegen allerdings, wie in 10b dargestellt, die Sättigungszonen 6, 8 auf der Höhe des Sendeelementes 17, wie es für die innere Sensorschleife 16 gekennzeichnet ist, so werden die Impulse des Sendeelementes 17 nicht reflektiert, da jeder Impuls sofort von dem Empfänger 18, 19 wahr genommen wird. Die innere Sensorschleife 16 kann somit nicht zur Messung genutzt werden. Nur mittels der äußeren Sensorschleife 15 kann eine Position des sich drehenden Bauteiles bestimmt werden.
  • Um Totzonen zu vermeiden, ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Sensorstruktur 4 in 11 dargestellt. Dabei besitzt sowohl die äußere 20 als auch die innere Sensorschleife 21 nur ein gebogenes Sensorelement, wobei jedes Sensorelement aber mehr als 180° überlappt. Die in entgegengesetzte Richtung weisenden Enden 20.1; 21.1 von innerem und äußerem Sensorelement 20, 21 werden dabei von jeweils nur einer Sendeeinheit 17 gespeist. Die sich gegenüberliegenden Sättigungszonen 6, 8 umfassen einmal nur die innere Sensorschleife 21 (Sättigungszone 8) und einmal nur die äußere Sensorschleife 20 (Sättigungszone 6), wie es in 11a dargestellt ist. Bei dieser Anordnung können sowohl die äußere als auch die innere Sensorschleife 20, 21 in beide Richtungen messen, woraus sich eine zuverlässige Positionsbestimmung ergibt. Bei der in 11b gezeigten Struktur ist die jeweilige Sättigungszone 6, 8 einmal direkt hinter dem Empfänger 18 der inneren Sensorschleife 21 und einmal direkt hinter dem Empfänger 19 der äußeren Sensorschleife 20 ausgebildet, wobei die Sättigungszonen 6, 8 sowohl die innere und die äußere Sensorschleife 20, 21 überdecken. Dies hat den Effekt, dass sowohl die innere als auch die äußere Sensorschleife 20, 21 nur in eine Richtung messen können, da durch die jeweilige Sättigungszone 6, 8 die Sendeeinheit 17 geblockt wird. Die Einkoppelung durch die Sendeeinheit 17 erfolgt hierbei nur an einem Ende der äußeren Sensorschleife 20 und am entgegengesetzten Ende der inneren Sensorschleife 21. Voraussetzung für die Messung mittels einer solchen Sensorstruktur ist, dass die beiden Sensorschleifen 20, 21 immer größer ausgebildet sind als die Sättigungszonen 6, 8.
  • In 12 sind zwei Ausführungsbeispiele für eine magnetostriktive Sensorstruktur 22, 23 zur Verlängerung des Impulslaufweges dargestellt. Da die Laufzeit sich allgemein im Nanosekundenbereich bewegt, ist es meistens schwierig die kurze Zeit entsprechend auszuwerten. Die Auswertung wird verbessert, wenn der Laufweg verlängert wird. Dies erfolgt durch die Ausgestaltung der Sensorschleife 22 als Mäanderstruktur, welche eine kontinuierliche Verlängerung der Sensorschleife 22 ermöglicht. In 12b ist eine mäanderförmige Sensorschleife 23 dargestellt, mittels welcher diskrete Impulse erzeugt werden können. Durch die Laufzeitverlängerung wirkt sich die Toleranz der Zeitmessung weniger auf den Signalfehler aus.
  • Mit Hilfe der vorgeschlagenen Lösung wird eine Winkelmessung eines sich drehenden Bauteiles ermöglicht, bei welcher durch Varianten der beiden Sättigungszonenbreiten die Toleranz der Magnetfeldstärke, des Abstandes zwischen Magnet und Sensorstruktur, Taumeln des Magnetringes und Temperaturänderungen unberücksichtigt bleiben können.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    magnetostriktiver Wegaufnehmer
    2
    Einkoppel- und Messpunkt
    3
    Einkoppel- und Messpunkt
    4
    Magnetostriktive Sensorstruktur
    5
    Permanentmagnet
    6
    Sättigungszone
    7
    Einkoppel- und Messpunkt
    8
    Sättigungszone
    9
    Leiterplatte
    10
    Blockmagnet
    11
    Blockmagnet
    12
    Drehachse
    13
    Chip
    14
    Elektronische Baueinheit
    15
    Sensorschleife
    15.1
    Sensorelement
    15.2
    Sensorelement
    15.3
    Ende des Sensorelementes
    15.4
    Ende des Sensorelementes
    16
    Sensorschleife
    16.1
    Sensorelement
    16.2
    Sensorelement
    16.3
    Ende des Sensorelementes
    16.4
    Ende des Sensorelementes
    17
    Sendeeinheit
    18
    Empfänger
    19
    Empfänger
    20
    Sensorschleife
    21
    Sensorschleife
    22
    Magnetostriktive Sensorstruktur
    23
    Magnetostriktive Sensorstruktur

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels eines sich drehenden Bauteiles, umfassend eine magnetostriktive Sensorstruktur (4), welche mit einem Sende- (17) und Empfangselement (18, 19) gekoppelt ist und entlang welcher sich ein am sich bewegenden Bauteil befestigter Magnet (5, 10, 11) bewegt, wobei das Sende- und das Empfangselement (17; 18, 19) mit einer Auswerteelektronik (14) zur Bestimmung einer Position des sich bewegenden Bauteiles aus einer Laufzeit zwischen Sendeelement (17) und Sättigungszone (6) und zurück von der Sättigungszone (6) zum Empfangselement (18, 19) verbunden sind, wobei das gesendete Signal an der durch den Magnet (5) in der magnetostriktiven Sensorstruktur (4) verursachten Sättigungszone (6, 8) reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetostriktive Sensorstruktur (4) zwei beabstandet zueinander liegende Sensorschleifen (15, 16; 20, 21) umfasst und jede Sensorschleife (15, 16; 20, 21) in einer Form einer Bewegungsrichtung des sich drehenden Bauteiles angepasst ist, wobei ein gemeinsames Sendeelement (17) zur gleichzeitigen Einkopplung je eines Impulses in beide Sensorschleifen (15, 16; 20, 21) vorgesehen ist, in dessen Umgebung je ein Empfangselement (18, 19) für jede Sensorschleife (15, 16; 20, 21) zum Empfang des von der Sättigungszone (6, 8) der jeweiligen Sensorschleife (15, 16; 20, 21) reflektierten Impulses positioniert ist, wobei die Empfangselemente (18, 19) mit der Auswerteelektronik (14) zur Bestimmung der Winkelposition aus einem Verhältnis der beiden Laufzeiten in den beiden Sensorschleifen (15, 16; 20, 21) verbunden sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand des Magneten (5; 10,11) zur magnetostriktiven Sensorstruktur (4) die Breite der Sättigungszone (6, 8) bestimmt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (5; 10, 11) zur magnetostriktiven Sensorstruktur (4) verkippt positioniert ist.
  4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der am sich drehenden Bauteil befestigte Magnet (5) als Magnetring oder aus zwei gegenüberliegenden Blockmagneten (10, 11) gebildet ist.
  5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstruktur (4) in einem den Impuls generierenden und die Auswerteelektronik (14) umfassenden elektronischen Bauelement (13) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstruktur (4) in einer Platine (9) ausgebildet ist, auf welcher das den Impuls generierende und die Auswerteelektronik (14) umfassende elektronische Bauelement (13) positioniert ist.
  7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Sensorschleife (16) und die äußere Sensorschleife (15) jeweils zwei gebogene Sensorelemente (16.1, 16.2; 15.1, 15.2) umfasst.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gebogenen Sensorelemente (16.1, 16.2; 15.1, 15.2) der beiden Sensorschleifen (15, 16) halbkreisförmig ausgebildet sind, wobei die halbkreisförmigen Sensorelemente (16.1, 16.2; 15.1, 15.2) einer Sensorschleife (15, 16) kreisähnlich zueinander angeordnet sind,
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Endenpaare der halbkreisförmigen Sensorelemente (16.1, 16.2; 15.1, 15.2) der inneren und der äußeren Sensorschleife (15, 16) um 90° zueinander versetzt angeordnet sind.
  10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gebogenen Sensorelemente der Sensorschleifen (22, 23) mäanderförmig ausgebildet sind.
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