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Die Erfindung betrifft einen Wegsensor zum Erfassen eines Weges.
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Aus der
DE 101 30 572 A1 ist ein induktiver Messaufnehmer für einen Wegsensor bekannt, der basierend auf einem Magnetfeld eines Geberelementes, das von der Position des Geberelementes abhängig ist, ein elektrisches Signal an eine Auswerteschaltung ausgibt.
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Die Anforderungen bezüglich der Robustheit von Sensoren gegenüber externen Magnetfeldern sind in der jüngsten Vergangenheit deutlich gestiegen. Zusätzlich gilt es jedoch auch dem zunehmenden Kostendruck zu begegnen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den bekannten Wegsensor zu verbessern bzw. einen kostengünstigen bzw. robusten Wegsensor bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Wegsensor zum Erfassen eines Weges:
- - eine Erregerspule zum Erregen eines elektromagnetischen Wechselfeldes,
- - eine Empfängervorrichtung zum induktiven Empfangen des elektromagnetischen Wechselfeldes und zum Ausgeben eines vom empfangenen elektromagnetischen Wechselfeld abhängigen Ausgangssignals, wobei die Empfängervorrichtung wenigstens eine Empfangsspule umfasst, die auf einem Funktionskern aufgewickelt ist, gekennzeichnet durch einen Rückschlusskern, wobei der Rückschlusskern dazu ausgebildet ist, den Funktionskern vor einem externen elektromagnetischen Feld abzuschirmen. Somit kann die Robustheit des Wegsensors gegenüber externen Magnetfeldern deutlich gesteigert werden.
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Es ist bevorzugt, dass sich der Rückschlusskern von dem Funktionskern bezüglich seiner Abmessungen und / oder magnetischen Eigenschaften unterscheidet. Anstatt wie bei einem naheliegenden herkömmlichen Ansatz den Rückschlusskern genau gleich wie den Funktionskern auszugestalten, um den Aufwand gering zu halten, kann der Rückschlusskern somit besonders effizient bezüglich seiner Funktion ausgestaltet werden.
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Bevorzugt weist der Rückschlusskern einen geringeren magnetischen Widerstand auf als der Funktionskern. Insbesondere wenn der Wegsensor so ausgebildet ist, dass ein Geber die induktive Kopplung wegabhängig durch lokale Sättigung des Funktionskerns beeinflusst, wird durch den die Position anzeigenden Geber im Funktionskern eine Sättigungszone erzeugt. Der Geber teilt den Kern in drei Bereiche. Jeder Bereich hat generell einen anderen magnetischen Widerstand, abhängig von den Abmessungen und dem magnetischen Zustand. Der magnetische Widerstand der Kerne, bzw. der verschiedenen Abschnitte kann berechnet, oder zumindest abgeschätzt werden mit folgender Funktion:
wobei gilt:
- Ri = der magnetische Widerstand des Abschnitts i mit der effektiven Permeabilität µi.
- li = die Länge des Abschnitts i.
- bi = die Breite des Kernabschnitts i.
- hi = die Dicke des Kernabschnitts i.
- µ0 = die Vakuumpermeabilität.
- µi = die relative Permeabilität im Abschnitt i.
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Der gesamte magnetische Widerstand eines Kerns ergibt sich aus der Summe der Widerstände der einzelnen Abschnitte i. In der Sättigungszone sinkt die relative Permeabilität auf den Wert
1. Das Material verhält sich magnetisch in diesem Bereich wie Luft. Der magnetische Widerstand des Funktionskerns wird im Wesentlichen durch die Sättigungszone bestimmt und es gilt vorzugsweise:
Externe magnetische Felder werden also zu einem großen Teil am Funktionskern vorbeigeleitet und verursachen deshalb nur geringe Störungen in den Sensorsignalen.
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Um die abschirmende Wirkung des Rückschlusskerns weiter zu erhöhen ist es vorteilhaft, wenn der Rückschlusskern einen größeren Querschnitt aufweist als der Funktionskern, insbesondere eine größere Breite und / oder Dicke.
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Es ist bevorzugt, dass der Rückschlusskern aus einem Material besteht, das eine höhere magnetische Permeabilität aufweist als das Material des Funktionskerns. Gemäß einem herkömmlichen Ansatz wären Funktions- und Rückschlusskern aus demselben Material. Dem entsprechend hätten beide dasselbe µr, zumal es sich um einen Materialparameter handelt. Da es sich bei dem vorzugsweise verwendeten Differentialtransformator-Prinzip um einen offenen magnetischen Kreis handelt, sind die Hysterese-Kurven stark geschert und die effektive relative Permeabilität ist deutlich kleiner als der Materialparameter. Trotzdem ist der magnetische Widerstand der Kerne nicht völlig unabhängig von den Materialparametern, so dass eine höhere Permeabilität des Materials des Rückschlusskerns zu einer Reduzierung des magnetischen Widerstandes des Rückschlusskerns führt. Für den Rückschlusskern ein anderes Material zu verwenden ist deshalb sinnvoll. Ggf. ist zu bedenken, dass es nötig sein könnte, andere Materialeigenschaften, wie die Sättigungsmagnetostriktion, bei der Konstruktion zu berücksichtigen und eventuell zusätzliche konstruktive Lösungen erforderlich sind.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung weist der Rückschlusskern eine größere Länge auf als der Funktionskern. Auch die Verlängerung des Rückschlusskerns führt zu einer besseren Abschirmwirkung. Das scheint zunächst paradox, da eine Verlängerung des Rückschlusskerns zu einer Erhöhung des magnetischen Widerstandes im Rückschlusskern führt. Bedenkt man aber, dass auch der Funktionskern, quasi unsichtbar, mit einer Luftstrecke verlängert wird, die einen hohen magnetischen Widerstand darstellt, erkennt man, dass das Verhältnis der magnetischen Widerstände in den beiden Kernen zu einer besseren Abschirmung führt.
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Die genannten Maßnahmen zur Verbesserung der Abschirmung können in dem Wegsensor wahlweise alternativ oder in beliebiger Kombination gemeinsam verwirklicht sein.
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Es ist bevorzugt, dass die Empfängervorrichtung eine zweite Empfangsspule umfasst, die mit der Erregerspule und der ersten Empfangsspule einen Differentialtransformator bildet.
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Vorzugsweise ist der Wegsensor ausgebildet, anhand einer induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängervorrichtung den zurückgelegten Weg eines Gebers zu erfassen, wobei der Geber die induktive Kopplung wegabhängig durch lokale Sättigung des Funktionskerns, beeinflusst.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung zeichnet sich der Wegsensor durch einen Schaltkreis auf einem Verdrahtungsträger zum Empfangen des Ausgangssignals aus der Empfängervorrichtung aus.
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Es ist bevorzugt, dass eine Schutzmasse die Empfängervorrichtung und den Verdrahtungsträger wenigstens teilweise umhüllt und so die Empfängervorrichtung auf dem Verdrahtungsträger hält.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
- 1 ein stark schematisiertes Wirkprinzip des Wegsensors
- 2 ein stark schematisiertes Ausführungsbeispiel eines Wegsensors gemäß 1,
- 3 ein stark schematisiertes weiteres Ausführungsbeispiel eines Wegsensors gemäß 1,
- 4 einen ersten Produktionsschritt eines Wegsensors,
- 5 einen zweiten Produktionsschritt eines Wegsensors,
- 6 eine isolierte Darstellung der Kerne eines Wegsensors.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die einen Wegsensor beispielhaft in Form eines Differenztransformator-Wegsensors darstellt. Dieser leitet die zu ermittelnde Messgröße, die Position eines Gebers G, aus der Differenz zweier durch eine Erregerspule 4 sekundärseitig induzierter Signale ab. Erregerspule 4 und Empfangsspulen 5 und 6 bilden also gemeinsam einen Übertrager 7. Wird ein Dauermagnet als Geber G verwendet, so sorgt dessen Magnetfeld für eine Sättigungszone im weichmagnetischen Kernmaterial K des Funktionskerns, die ihrerseits die sekundärseitig induzierten Spannungen positionsproportional gewichtet. Im regulären Betrieb verändert also der verwendete Dauermagnet als Positionsgeber G in Abhängigkeit seiner Position über dem weichmagnetischen Funktionskern die Amplitude der in die Empfangsspulen 5, 6 induzierten Spannungen. Der Begriff der Empfangsspule wird in dieser Beschreibung als gleichbedeutend mit dem Begriff Induktivität verwendet, kann also beispielsweise auch eine Planarinduktivität bezeichnen. Befindet sich der Dauermagnet in der mechanischen Mitte des Transformators, also mit gleichem Abstand zu den beiden Empfangsspulen 5, 6, so sind, nach Betrag und Phase, beide Sekundärspannungen gleich groß und die Differenz ergibt sich zu Null.
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Die beiden in 2 und 3 dargestellten Sensortypen entsprechen weiteren Ausführungsbeispielen nach dem Prinzip des in 1 dargestellten Wegsensors.
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Der in 2 dargestellte Wegsensor nach Typ I zeichnet sich durch seine einfache Bauweise und unter anderem dadurch aus, dass dieser Wegsensor die Position mit Hilfe von subtraktiv verschalteten Empfangsspulen ermittelt. Durch die antiserielle Verschaltung der Empfangsspulen 5, 6 unter Berücksichtigung des Wickelsinns der jeweiligen Empfangsspule 5, 6 wird eine Subtraktion der induzierten Wechselgröße vorgenommen, wobei die Positionsinformation über den gesamten Messbereich nur fehlerfrei ermittelt werden kann, wenn Betrag und Phase der induzierten Signale in den Empfangsspulen 5, 6, also der Sekundärsignale, berücksichtigt werden. Die subtraktiv entstandene Wechselspannungsamplitude wird mit einem Amplitudendemodulator 8 gleichgerichtet, der als phasenempfindlicher Gleichrichter ausgeführt auch die Phasenkomponente berücksichtigt. Als Bezugsphasenlage wird in der Regel das Ansteuersignal der Erregerspule 1 herangezogen.
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Positionsabhängige Phasenfehler des Übertragers 7 in Relation zur Bezugsphasenlage der Ansteuerung der Erregerspule 1 haben beim Typ I-Sensor unmittelbar Einfluss auf die Genauigkeit der entstehenden Positionsinformation, die als Sensorausgangssignal epos am Ausgang des Demodulators 8 entsteht.
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Für eine hinreichend linear verlaufende Positionskennlinie sollte beim Typ I- Sensor die erregerspulenseitige, d. h. primärseitig ansteuernde Quelle als Stromquelle konstanter Amplitude ausgeführt sein. Dies ist als nachteilig zu bewerten, denn im Vergleich zu einem Generator mit konstanter Spannungsamplitude ist der Schaltungsaufwand für eine Konstant-Wechselstromquelle in der Regel höher anzusetzen. Nachteilig ist weiterhin die direkte Abhängigkeit der Positionsgröße von der absoluten Amplitude des primärseitig ansteuernden Stroms. Um Ungenauigkeiten im Positionssignal zu vermeiden, ist eine bzgl. der Stromamplitude hochstabile Primärquelle erforderlich. Eine Kompensation durch ratiometrische Arbeitsweise existiert beim Typ I-Sensor diesbezüglich nicht. Da es der Typ I- Sensor aufgrund seines einfachen Aufbaus kaum ermöglicht, im Messprozess entstehende systematische Fehler zu kompensieren, sollte er nur für einfachere Anwendungen mit niedrigen Anforderungen eingesetzt werden.
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Wegsensoren vom Typ II, wie in 3 dargestellt, unterscheiden sich in erster Linie von dem vorgenannten Typ I-Sensor in der Art und Weise der Auswertung der Sekundärsignale. Es werden zwei Amplitudendemodulatoren 8, 9 eingesetzt, die selektiv für jede Empfangsspule 5, 6 den Betrag der in die Empfangsspule 5, 6 induzierten Wechselspannung bilden. Die Phaseninformation kann entfallen. Die Weiterverarbeitung der erhaltenen Beträge der Sekundäramplituden zur Positionsinformation geschieht durch Anwendung der arithmetischen Operationen einer Differenzbildung 12 und einer Summenbildung 10. Mit der Bildung des Quotienten 11 aus Differenzsignal edif und Summensignal esum der Beträge erhält man schließlich das Positionssignal epos. Vielfach erfolgt die Signalverarbeitung ab den Eingängen der Amplitudendemodulatoren 8, 9 rein digital. Hierdurch sind Typ II-Wegsensoren besonders driftarm bei Änderungen der Umgebungstemperatur und zudem besonders langzeitstabil. Der erhöhte Aufwand beim Typ II- Sensor beinhaltet noch weitere Vorteile:
- Als Ansteuersignalquelle 1 der Erregerspule kann ohne Nachteile ein einfach zu gestaltender Wechselspannungsgenerator mit vorzugsweise konstanter Amplitude eingesetzt werden. Dies ist möglich, weil mit der Quotientenbildung 11 eine Normierung auf die Summenamplitude für jeden einzelnen Messpunkt auf der Positionsachse vorgenommen wird. Dadurch erhält man die Vorteile, dass die Primäramplitude keinen Einfluss mehr auf den erhaltenen Positionswert epos ausüben kann. Zudem trägt das angewendete Normierverfahren trotz verwendeter Primärspannungsquelle zu einer deutlichen Kennlinien-Linearisierung bei. Mit den Größen esum und edif stehen, neben der Positionsinformation, ohne dass Zusatzkosten entstanden sind, weitere Größen zur Verfügung, die für Zwecke der Fehlerdiagnose herangezogen werden können. Sensoren vom Typ II eignen sich aufgrund der Unabhängigkeit von der absoluten Primäramplitude, sowie den nicht ausgewerteten Phaseninformationen, die dadurch auch keinen Fehlerbeitrag leisten können, für Anwendungen mit erhöhten Anforderungen.
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Zur Herstellung des Wegsensors wird kann für den ersten Produktionszustand ein Leadframe 72 mit Kontaktbeinchen 74 ausgestanzt werden, der den Differentialtransformator auf dem oben genannten Verdrahtungsträger 42 mechanisch abstützen und ihn mit dem Schaltkreis 38 auf dem Verdrahtungsträger 42 elektrisch kontaktiert. Von den Kontaktbeinchen 74 sind in 4 der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen.
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Anschließend wird in dem Leadframe 72 ein Funktionskern 76, der später zur Übertragung eines magnetischen Feldes zwischen Erreger- und Empfangsspulen 4, 5, 6 vorgesehen ist sowie ein Rückschlusskern 77 angeordnet, der den Funktionskern 76 elektromagnetisch abschirmt.
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Es wird auf 5 Bezug genommen, die den Differentialtransformator 48 im Wegsensor aus 4 in einem zweiten Produktionszustand zeigt.
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Zur Herstellung des in 5 gezeigten zweiten Produktionszustandes wird der Leadframe 72 mit dem magnetischen Funktionskern 76 mit einer Schutzmasse 78 umhüllt. Diese Schutzmasse 78 besteht in der vorliegenden Ausführung aus Duroplast, das einen im Wesentlichen gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie der magnetische Funktionskern 76 aufweist, der beispielsweise aus Eisen-Nickel hergestellt sein kann. Im Falle von Temperaturschwankungen werden so kaum mechanische Spannungen in den magnetischen Funktionskern 76 eingetragen.
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Die Schutzmasse 78 wird dabei mit vier Trennelementen 80 ausgebildet, dass sie den magnetischen Funktionskern 76 in zwei äußere Wickelbereiche 82 und einen inneren Wickelbereich 84 unterteilen. Dabei sind die äußeren Wickelbereiche 82 kürzer ausgebildet, als der innere Wickelbereich 84.
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Anschließend, wenn die Schutzmasse 78 beispielsweise ausgehärtet ist, können die Kontaktbeinchen 74 dann wie in 5 gezeigt in Richtung einer Unterseite des Differentialtransformators 48 gebogen werden.
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Alternativ zu dem aufgezeigten Vorgehen bzgl. des zweiten Produktionszustandes kann zunächst die Wandlerschutzmasse 78 als Aufnahmekörper beispielsweise mittels eines Spritzpressvorgangs aus einem duroplastischen Material mit dem Leadframe 72 und einer Ausnehmung in Form einer Mulde 86 geformt werden, in die die Kerne 76, 77 dann eingelegt werden. Die Mulde 86 wird anschließend mit einem Deckel 88 verschlossen.
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Zur Fertigstellung des Differentialtransformators 48 werden in die Wickelbereiche 82, 84 auf den Differentialtransformator nicht weiter dargestellte Spulendrähte aufgewickelt. Eine Erregerspule wird dabei über alle Wickelbereiche 82, 84 hinweg aufgewickelt, während in je einen der äußeren Wickelbereiche 82 eine Empfangsspule, jeweils zueinander baugleich, aufgewickelt wird.
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Die beiden Kerne, der Funktionskern 76 sowie der Rückschlusskern 77, sind in 6 isoliert zusammen mit dem magnetischen Geber G dargestellt.
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Dabei ist zu erkennen, dass der Rückschlusskern 77 gegenüber dem Funktionskern 76 verlängert ist, so dass das Verhältnis der magnetischen Widerstände des Funktionskerns 76 zu dem Rückschlusskern 77 über die von dem Rückschlusskern 77 aufgespannte Länge größer als Eins ist, d. h. der Rückschlusskern 77 über diese Länge betrachtet keine Luftbereiche und daher einen geringeren magnetischen Widerstand aufweist. Somit ist eine effiziente Abschirmung des Funktionskerns 76 durch den Rückschlusskern 77 gewährleistet.
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Die Effizienz kann noch weiter gesteigert werden, indem der Rückschlusskern 77 beispielsweise einen größeren Querschnitt bzw. ein Material mit einer höheren magnetischen Permeabilität als der Funktionskern 76 aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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