DE102019216988A1 - Position measuring system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Positionsmesssystem (10), aufweisend einen Permanentmagneten (12) und einen sich entlang einer seitlich neben dem Permanentmagneten (12) entlang desselben verlaufenden Messstrecke (14) bewegbar angeordneten Magnetfeldsensor (16), um anhand einer mittels des Magnetfeldsensors (16) bestimmten Richtung des Magnetfeldes eine Position des Magnetfeldsensors (16) entlang der Messstrecke (14) bestimmen zu können. Um eine Störanfälligkeit des Positionsmesssystems (10) im Hinblick auf Störfelder zu reduzieren und die Abhängigkeit der Richtung des Magnetfeldes von der Position entlang der Messstrecke (14) flexibler vorgeben zu können und eine Beeinträchtigung der Messgenauigkeit durch mechanische Toleranzen oder ein mechanisches Spiel reduzieren zu können, weist das erfindungsgemäße Positionsmesssystem (10) ferner wenigstens ein ferromagnetisches Flussleitstück (20-1, 20-2) auf, das sich unterhalb oder überhalb der Messstrecke (14) plattenförmig einerseits in Richtung der Messstrecke (14) und wenigstens einem Teil der Messstrecke (14) folgend und andererseits in seitlicher Richtung erstreckt.The invention relates to a position measuring system (10), comprising a permanent magnet (12) and a magnetic field sensor (16) which is movably arranged along a measuring section (14) running laterally next to the permanent magnet (12), in order to use a magnetic field sensor (16) specific direction of the magnetic field to be able to determine a position of the magnetic field sensor (16) along the measuring section (14). In order to reduce the susceptibility of the position measuring system (10) to interference with regard to interference fields and to be able to specify the dependency of the direction of the magnetic field on the position along the measuring section (14) more flexibly and to be able to reduce the impairment of the measuring accuracy due to mechanical tolerances or mechanical play, the position measuring system (10) according to the invention furthermore has at least one ferromagnetic flux guide piece (20-1, 20-2) which extends in a plate shape below or above the measuring section (14) on the one hand in the direction of the measuring section (14) and at least part of the measuring section (14 ) following and on the other hand extends in the lateral direction.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Positionsmesssystem, aufweisend einen Permanentmagneten und einen sich entlang einer seitlich neben dem Permanentmagneten entlang desselben verlaufenden Messstrecke bewegbar angeordneten Magnetfeldsensor, um anhand einer mittels des Magnetfeldsensors bestimmten Richtung des Magnetfeldes eine Position des Magnetfeldsensors entlang der Messstrecke bestimmen zu können.The present invention relates to a position measuring system, comprising a permanent magnet and a magnetic field sensor arranged movably along a measuring section running laterally next to the permanent magnet, in order to be able to determine a position of the magnetic field sensor along the measuring section using a direction of the magnetic field determined by means of the magnetic field sensor.
Bei einem derartigen Positionsmesssystem kann z. B. die Bestimmung der Position des Magnetfeldsensors bzw. einer mit dem Magnetfeldsensor versehenen Komponente entlang einer geradlinig verlaufend vorgesehenen Messstrecke vorgesehen sein. Alternativ kann bei einer solchen Messung jedoch auch z. B. eine gekrümmt verlaufende Messstrecke vorgesehen sein, z. B. eine kreisbogenförmig gekrümmte Messstrecke.In such a position measuring system, for. B. the determination of the position of the magnetic field sensor or a component provided with the magnetic field sensor can be provided along a straight measuring section provided. Alternatively, however, in such a measurement, z. B. a curved measuring section can be provided, for. B. a circular arc curved measuring section.
Die Funktion eines derartigen „magnetischen“ Positionsmesssystems beruht auf der Ausnutzung des Umstands, dass das Magnetfeld eines Permanentmagneten ortsabhängig ist und somit eine für einen bestimmten Ort mittels eines Magnetfeldsensors bestimmte Richtung des Magnetfeldes eine für die entsprechende Position (des Magnetfeldsensors relativ zum Permanentmagneten) repräsentative Größe darstellt bzw. anhand des Ergebnisses einer Messung der Richtung des Magnetfeldes auf diese Position geschlossen werden kann. Es versteht sich, dass die Position, die Bewegbarkeit und die Bewegung des Magnetfeldsensors entlang der Messstrecke hierbei und auch im Rahmen der Erfindung als Relativposition bzw. Relativbewegbarkeit bzw. Relativbewegung des Magnetfeldsensors relativ zum Permanentmagneten zu verstehen sind.The function of such a "magnetic" position measuring system is based on the fact that the magnetic field of a permanent magnet is location-dependent and thus a direction of the magnetic field determined for a specific location by means of a magnetic field sensor is a value representative of the corresponding position (of the magnetic field sensor relative to the permanent magnet) represents or can be inferred from the result of a measurement of the direction of the magnetic field on this position. It goes without saying that the position, the movability and the movement of the magnetic field sensor along the measuring section are to be understood here and also within the scope of the invention as the relative position or relative mobility or relative movement of the magnetic field sensor relative to the permanent magnet.
Derartige gattungsgemäße Positionsmesssysteme sind in vielfältigen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise sei hierzu auf die Veröffentlichungen
Nachteilig ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Positionsmesssystemen eine mehr oder weniger große Anfälligkeit für eine Beeinträchtigung des Messergebnisses durch etwaig in der Installationsumgebung des Systems auftretende magnetische Störfelder. Darüber hinaus besteht ein Nachteil bekannter Systeme oftmals darin, dass aufgrund von prinzipiell vorgegebenen Eigenschaften eines Magnetfeldes die Abhängigkeit des Magnetfeldes des Permanentmagneten von der Position des Magnetfeldsensors entlang der Messstrecke durch die Konstruktion (z. B. durch Formgestaltung und Magnetisierung des Permanentmagneten, und Verlauf der Messstrecke relativ zum Permanentmagneten) zwar beeinflusst werden kann, jedoch nicht völlig beliebig vorgegeben werden kann. Ein weiterer Nachteil bekannter Systeme liegt in der Toleranzempfindlichkeit der Messung gegenüber mechanischen Toleranzen wie z. B. Fertigungs- und Montagetoleranzen sowie mechanischem Spiel. Insbesondere spielbedingte Positionsänderungen des Magnetfeldsensors quer zur Richtung des zu messenden Magnetfeldes bewirken eine erhebliche Messunsicherheit.The disadvantage of the position measuring systems known from the prior art is that they are more or less susceptible to impairment of the measurement result due to any magnetic interference fields that may occur in the installation environment of the system. In addition, known systems often have the disadvantage that, due to the properties of a magnetic field, which are predetermined in principle, the dependency of the magnetic field of the permanent magnet on the position of the magnetic field sensor along the measurement path is caused by the construction (e.g. through the shape and magnetization of the permanent magnet, and the course of the Measuring distance relative to the permanent magnet) can be influenced, but cannot be specified as desired. Another disadvantage of known systems is the sensitivity of the measurement to mechanical tolerances such. B. Manufacturing and assembly tolerances and mechanical play. In particular, changes in the position of the magnetic field sensor caused by play at right angles to the direction of the magnetic field to be measured cause considerable measurement uncertainty.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Positionsmesssystem der eingangs genannten Art die vorstehend erläuterten Nachteile zu beseitigen oder zumindest abzumildern. Insbesondere soll mit der Erfindung ein Positionsmesssystem der eingangs genannten Art ermöglicht werden, dass weniger störanfällig ist, und bei dem die Abhängigkeit des Magnetfeldes von der Position entlang der Messstrecke flexibler vorgegeben werden kann.It is an object of the present invention to eliminate or at least alleviate the disadvantages explained above in a position measuring system of the type mentioned at the beginning. In particular, the invention is intended to enable a position measuring system of the type mentioned at the outset that is less susceptible to interference and in which the dependence of the magnetic field on the position along the measuring section can be specified more flexibly.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Positionsmesssystem nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.According to the invention, this object is achieved by a position measuring system according to
Das erfindungsgemäße Positionsmesssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass es ferner (wenigstens) ein ferromagnetisches Flussleitstück aufweist, das sich unterhalb oder überhalb der Messstrecke plattenförmig einerseits in Richtung der Messstrecke und wenigstens einem Teil der Messstrecke folgend und andererseits in seitlicher Richtung (Lateralrichtung) erstreckt.The position measuring system according to the invention is characterized in that it furthermore has (at least) one ferromagnetic flux guiding piece, which extends below or above the measuring section in the form of a plate on the one hand in the direction of the measuring section and following at least part of the measuring section and on the other hand in the lateral direction.
Vorteilhaft können mit der Erfindung durch das (wenigstens eine) ferromagnetische Flussleitstück etwaig auftretende magnetische Störfelder zumindest teilweise abgeschirmt werden. Daher ist der Einfluss von Störfeldern auf das Messergebnis verringert. Die Abschirmwirkung hängt hierbei von der räumlichen Anordnung und Ausdehnung des ferromagnetischen Materials ab und lässt sich somit vorteilhaft durch die Konstruktion dem konkreten Anwendungsfall anpassen. Als besonders günstig erweist sich die Abschirmwirkung, wenn unterhalb und überhalb der Messstrecke sich erstreckende ferromagnetische Flussleitstücke angebracht sind. With the invention, the (at least one) ferromagnetic flux guide piece can advantageously at least partially screen any magnetic interference fields that may occur. Therefore, the influence of interference fields on the measurement result is reduced. The shielding effect depends on the spatial arrangement and extent of the ferromagnetic material and can thus be advantageously adapted to the specific application through the design. The shielding effect proves to be particularly favorable if ferromagnetic flux guide pieces extending below and above the measuring section are attached.
Die hier bei der Beschreibung des Positionsmesssystems zur Definition relativer räumlicher Anordnungen und räumlicher Richtungen verwendeten Begriffe wie z. B. „unterhalb“, „unten“, „überhalb“, „oben“, „vertikal“, „seitlich“ bzw. „lateral“, „horizontal“ dienen lediglich zur Vereinfachung der Beschreibung des Positionsmesssystems. Die Begriffe definieren gewissermaßen ein räumliches Koordinatensystem des Positionsmesssystems als solchem, wurden jedoch insofern willkürlich gewählt, als letztlich erst in Verwendungssituation des Positionsmesssystems z. B. bestimmt wird, wo oben und wo unten ist.The terms used here in the description of the position measuring system to define relative spatial arrangements and spatial directions, such as B. "below", "below", "above", "above", "vertical", "side" or "lateral", "horizontal" are only used to simplify the description of the position measuring system. The terms define, so to speak, a spatial coordinate system of the position measuring system as such, but were chosen arbitrarily insofar as ultimately only in Use situation of the position measuring system z. B. determines where is up and where is down.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch das (wenigstens eine) ferromagnetische Flussleitstück eine gezielte Beeinflussung und somit Modifikation der Abhängigkeit der Richtung des Magnetfeldes des Permanentmagneten von der Position des Magnetfeldsensors entlang der Messstrecke realisiert werden kann. Die Abhängigkeit des Magnetfeldes von der Position des Magnetfeldsensors kann bei der Erfindung nicht nur durch die Formgestaltung und Magnetisierung des Permanentmagneten sowie den Verlauf der Messstrecke relativ zum Permanentmagneten beeinflusst werden, sondern vorteilhaft zusätzlich durch die konkrete Anordnung und Formgestaltung des oder der Flussleitstücke.Another advantage of the invention is that the (at least one) ferromagnetic flux guide piece can be used to influence and thus modify the dependency of the direction of the magnetic field of the permanent magnet on the position of the magnetic field sensor along the measurement path. In the invention, the dependence of the magnetic field on the position of the magnetic field sensor can be influenced not only by the shape and magnetization of the permanent magnet and the course of the measuring path relative to the permanent magnet, but also advantageously by the specific arrangement and shape of the flux guide (s).
Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass viele Anordnungen und Formgestaltungen des oder der Flussleitstücke existieren und somit eingesetzt werden können, mit denen gleichzeitig sowohl eine große Abschirmwirkung gegenüber Störfeldern als auch eine vorteilhafte Modifikation der die Messsystemcharakteristik mitbestimmenden Abhängigkeit der Richtung des Magnetfeldes von der Position des Magnetfeldsensors erzielt werden können.It has turned out to be advantageous that there are many arrangements and shapes of the flux guiding piece or pieces that can be used, with which at the same time both a large shielding effect against interference fields and an advantageous modification of the dependence of the direction of the magnetic field on the position of the magnetic field sensor, which co-determines the measuring system characteristics can be achieved.
Insbesondere kann z. B. jegliche Art von Linearisierung der genannten Abhängigkeit bzw. der Messsystemcharakteristik eine solche vorteilhafte Modifikation darstellen. Linearisierung bedeutet hierbei, dass der Zusammenhang zwischen einerseits der Richtung des Magnetfeldes (bzw. des entsprechenden Sensorsignals), und andererseits der zu bestimmenden Position exakter durch eine relativ einfache mathematische Funktion, insbesondere lineare Funktion, beschreibbar ist, als dies ohne den erfindungsgemäßen Einsatz eines oder mehrerer Flussleitstücke der Fall wäre.In particular, z. B. any kind of linearization of the mentioned dependency or the measuring system characteristic represent such an advantageous modification. In this context, linearization means that the relationship between the direction of the magnetic field (or the corresponding sensor signal) on the one hand and the position to be determined on the other hand can be described more precisely by a relatively simple mathematical function, in particular a linear function, than without the inventive use of a or several flux guide pieces would be the case.
Ein noch weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine hinsichtlich etwaiger Toleranzen relativ unempfindliche Abhängigkeit der Richtung des Magnetfeldes von der Position des Magnetfeldsensors erzielt werden kann. Beispielsweise kann mit der Erfindung durch eine Homogenisierung des Magnetfeldes im Bereich der Messstrecke z. B. mechanisches Spiel des Magnetfeldsensors hinsichtlich dessen Anordnung auf der Messstrecke und/oder bei dessen Führung entlang der Messstrecke vorteilhaft ausgeglichen werden.Yet another advantage of the invention is that a dependency of the direction of the magnetic field on the position of the magnetic field sensor that is relatively insensitive with regard to any tolerances can be achieved. For example, with the invention by a homogenization of the magnetic field in the area of the measuring section z. B. mechanical play of the magnetic field sensor with regard to its arrangement on the measuring section and / or when it is guided along the measuring section can be advantageously compensated.
Die Messstrecke verläuft seitlich neben dem (wenigstens einen) Permanentmagneten entlang des Permanentmagneten. In einer Ausführungsform ist die Messstrecke geradlinig verlaufend vorgesehen. Alternativ kann jedoch auch eine nicht-geradlinig verlaufende Messstrecke vorgesehen sein, insbesondere z. B. eine gekrümmt verlaufende Messstrecke, z. B. eine kreisbogenförmig gekrümmte Messstrecke. Eine gekrümmt verlaufende Messstrecke kann z. B. einem Bogenwinkel von mindestens 20°, insbesondere mindestens 40° und/oder maximal 180°, insbesondere maximal 120°, entsprechen. Der Verlauf der Messstrecke kann hierbei insbesondere z. B. parallel (d. h. mit einem vorgegebenen einheitlichen Abstand in Lateralrichtung des Positionsmesssystems) zu einem Verlauf eines insbesondere z. B. langgestreckt formgestalteten Permanentmagneten vorgesehen sein. In einer bevorzugten Ausführungsform behält der Magnetfeldsensor bei dessen Bewegung entlang der Messstrecke (d. h. relativ zum Permanentmagneten) seine Orientierung bezüglich der (lokalen) Orientierung des Messstrecke.The measuring section runs laterally next to the (at least one) permanent magnet along the permanent magnet. In one embodiment, the measuring section is provided to run in a straight line. Alternatively, however, a non-rectilinear measuring section can also be provided, in particular z. B. a curved measuring section, z. B. a circular arc curved measuring section. A curved measuring section can, for. B. correspond to an arc angle of at least 20 °, in particular at least 40 ° and / or a maximum of 180 °, in particular a maximum of 120 °. The course of the measuring section can in particular, for. B. parallel (i.e. with a predetermined uniform distance in the lateral direction of the position measuring system) to a course of an in particular e.g. B. elongated shaped permanent magnets can be provided. In a preferred embodiment, the magnetic field sensor retains its orientation with respect to the (local) orientation of the measuring section during its movement along the measuring section (i.e. relative to the permanent magnet).
In einer weiter unten noch detaillierter beschriebenen Ausführungsform der Erfindung ist der Permanentmagnet als ein ringförmig geschlossen verlaufender Körper ausgebildet. In diesem Fall kann auch die Messstrecke ringförmig geschlossen seitlich neben dem Permanentmagneten entlang des Permanentmagneten verlaufen. Insbesondere können hierbei kreisbogenförmig gekrümmte, geschlossene, konzentrische Verläufe des Permanentmagneten und der Messstrecke vorgesehen sein, so dass der Verlauf der Messstrecke einem Bogenwinkel von 360° entspricht.In an embodiment of the invention that is described in more detail below, the permanent magnet is designed as an annularly closed body. In this case, the measuring section can also run in a closed ring laterally next to the permanent magnet along the permanent magnet. In particular, closed, concentric courses of the permanent magnet and the measuring section which are curved in the shape of an arc of a circle can be provided, so that the course of the measuring section corresponds to an arc angle of 360 °.
Im Rahmen der Erfindung soll nicht ausgeschlossen sein, dass mehrere Permanentmagneten vorgesehen sind, insbesondere z. B. wenigstens zwei Permanentmagneten, wobei der Magnetfeldsensor z. B. entlang einer seitlich neben beiden Permanentmagneten (also in Lateralrichtung betrachtet zwischen den beiden Permanentmagneten) entlang beider Permanentmagneten verlaufenden Messstrecke bewegbar angeordnet sein kann.In the context of the invention, it should not be ruled out that several permanent magnets are provided, in particular, for. B. at least two permanent magnets, the magnetic field sensor z. B. along a laterally next to the two permanent magnets (that is, viewed in the lateral direction between the two permanent magnets) along both permanent magnets can be arranged movable measuring section.
Im Rahmen der Erfindung soll nicht ausgeschlossen sein, dass mehrere Magnetfeldsensoren vorgesehen sind, insbesondere z. B. wenigstens zwei Magnetfeldsensoren, die beide entlang der seitlich neben dem (wenigstens einen) Permanentmagneten entlang desselben verlaufenden Messstrecke bewegbar angeordnet sind, jedoch im Verlauf der Messstrecke versetzt zueinander. In diesem Fall kann eine Bestimmung einer Position entlang der Messstrecke unter Verwendung der mehreren (von mehreren Magnetfeldsensoren gemessenen) Magnetfelder realisiert werden.In the context of the invention, it should not be excluded that several magnetic field sensors are provided, in particular z. B. at least two magnetic field sensors, both of which are arranged movably along the measuring section running laterally next to the (at least one) permanent magnet along the same, but offset from one another in the course of the measuring section. In this case, a position along the measurement path can be determined using the multiple magnetic fields (measured by multiple magnetic field sensors).
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Permanentmagnet aus einem Stück eines hartmagnetischen Materials gebildet, insbesondere z. B. einer Legierung enthaltend Eisen (z. B. Ferrit) und z. B. Kobalt und/oder Nickel. Alternativ kann der Permanentmagnet z. B. aus einem Verbundmaterial gebildet sein, wie z. B. einer Kunststoffmatrix mit darin eingebetteten Partikeln aus magnetischem Material. Letztere Magneten können z. B. durch Pressen oder Spritzen hergestellt werden.In one embodiment of the invention, the permanent magnet is formed from a piece of a hard magnetic material, in particular, for. B. an alloy containing iron (z. B. ferrite) and z. B. cobalt and / or nickel. Alternatively, the permanent magnet z. B. be formed from a composite material, such as. B. a plastic matrix with therein embedded particles of magnetic material. The latter magnets can, for. B. be produced by pressing or spraying.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Permanentmagnet als ein langgestrecktes Profil ausgebildet ist.In one embodiment of the invention it is provided that the permanent magnet is designed as an elongated profile.
In diesem Fall besitzt der Permanentmagnet einen über dessen Länge (Verlauf) einheitlichen Querschnitt (Profilquerschnitt). Der Profilquerschnitt kann hierbei insbesondere z. B. eine rechteckige, z. B. etwa quadratische, oder z. B. eine etwa trapezförmige Form besitzen.In this case, the permanent magnet has a uniform cross-section (profile cross-section) over its length (profile). The profile cross-section can in particular, for. B. a rectangular, z. B. approximately square, or z. B. have an approximately trapezoidal shape.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Profilachse des Profils geradlinig verläuft. In diesem Fall kann der Permanentmagnet also z. B. eine prismatische, z. B. quaderförmige Form besitzen.In one embodiment it is provided that a profile axis of the profile runs in a straight line. In this case, the permanent magnet can, for. B. a prismatic, e.g. B. have cuboid shape.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Profilachse des Profils gekrümmt verläuft. Beispielsweise kann eine kreisbogenförmig gekrümmte Profilachse vorgesehen sein.In another embodiment it is provided that a profile axis of the profile is curved. For example, a profile axis curved in the shape of a circular arc can be provided.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Permanentmagnet als ein langgestrecktes Profil ausgebildet ist und die seitlich neben dem Permanentmagneten entlang desselben verlaufende Messstrecke parallel zu einer Profilachse des Profils verläuft.In one embodiment of the invention it is provided that the permanent magnet is designed as an elongated profile and the measuring section running laterally next to the permanent magnet along the same runs parallel to a profile axis of the profile.
Der Begriff „parallel“ soll in diesem Zusammenhang unabhängig davon zu verstehen sein, ob die Profilachse und die Messstrecke beide geradlinig verlaufen oder beide gekrümmt verlaufen.In this context, the term “parallel” should be understood regardless of whether the profile axis and the measuring section both run in a straight line or both run in a curved manner.
Insbesondere kann hierbei also vorgesehen sein, dass die Profilachse und die Messstrecke beide geradlinig, seitlich voneinander beabstandet parallel zueinander verlaufen, oder dass die Profilachse und die Messstrecke z. B. mit jeweiligen Krümmungen, seitlich voneinander beabstandet, parallel zueinander verlaufen (beispielsweise auf jeweiligen Kreisbögen von zwei konzentrischen Kreisen).In particular, it can be provided here that the profile axis and the measuring section both run in a straight line, laterally spaced from one another, parallel to one another, or that the profile axis and the measuring section z. B. with respective curvatures, laterally spaced from each other, run parallel to each other (for example on respective arcs of two concentric circles).
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Permanentmagnet als ein langgestreckter Körper mit einem über dessen Länge (Verlauf) variierenden Querschnitt ausgebildet ist.In one embodiment of the invention it is provided that the permanent magnet is designed as an elongated body with a cross section that varies over its length (course).
Der Begriff „Querschnitt“ ist so zu verstehen, dass der Querschnitt sowohl durch dessen Form (Querschnittsform) als auch dessen Größe (Querschnittsflächeninhalt) bestimmt ist. Insofern kann sich ein über die Länge des Permanentmagneten variierender Querschnitt aufgrund einer Variation der Querschnittsform und/oder einer Variation des Querschnittsflächeninhalts ergeben.The term “cross-section” is to be understood in such a way that the cross-section is determined both by its shape (cross-sectional shape) and its size (cross-sectional area). In this respect, a cross-section that varies over the length of the permanent magnet can result due to a variation in the cross-sectional shape and / or a variation in the cross-sectional area content.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Permanentmagnet als ein langgestreckter Körper mit einem über dessen Länge einheitlichen (nicht variierenden) Querschnittsflächeninhalt ausgebildet ist.In one embodiment of the invention it is provided that the permanent magnet is designed as an elongated body with a uniform (not varying) cross-sectional area over its length.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Permanentmagnet als ein langgestreckter Körper mit einer über dessen Länge variierenden Querschnittsform ausgebildet ist. Hierzu kann insbesondere z. B. vorgesehen sein, dass der Querschnitt die Form eines Vierecks (z. B. Form eines Trapezes) besitzt, bei welchem über die Länge des Permanentmagneten die Orientierung einer der Messstrecke zugewandte Seite des Vierecks variiert.In one embodiment of the invention it is provided that the permanent magnet is designed as an elongated body with a cross-sectional shape that varies over its length. For this purpose, in particular z. For example, it can be provided that the cross section has the shape of a square (z. B. shape of a trapezoid), in which the orientation of a side of the square facing the measuring section varies over the length of the permanent magnet.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die genannte Seite des Vierecks an einer mittleren Stelle im Verlauf der Länge des Permanentmagneten vertikal verläuft (und der Querschnitt dort z. B. wenigstens annähernd rechteckig ist), jedoch mit zunehmendem Abstand von der mittleren Stelle zunehmend schräg (bezüglich der Vertikalen) verläuft.In a further development of this embodiment it is provided that the mentioned side of the square runs vertically at a central point along the length of the permanent magnet (and the cross-section there is at least approximately rectangular, for example), but increases with increasing distance from the central point runs obliquely (with respect to the vertical).
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die genannte Seite des Vierecks in einem Winkel bezüglich der Vertikalen verläuft, der im Verlauf der Länge des Permanentmagneten monoton, insbesondere streng monoton, insbesondere proportional zur Position im Verlauf dieser Länge variiert. In einer bevorzugten Weiterbildung variiert der Winkel bezüglich der Vertikalen hierbei insgesamt (über die volle Länge des Permanentmagneten) um einen Winkelbetrag von mindestens 10°, insbesondere mindestens 30° oder mindestens 60°. Andererseits ist es in vielen Fällen vorteilhaft, wenn dieser Winkelbetrag maximal 120°, insbesondere maximal 90° beträgt. Insbesondere kann auch hierbei vorgesehen sein, dass der Querschnitt des Permanentmagneten einen über die Länge desselben einheitlichen (nicht variierenden) Querschnittsflächeninhalt besitzt. In einer Ausführungsform ist das genannte Viereck ein Trapez, bei dem zwei zueinander parallele Trapezseiten wenigstens annähernd in Lateralrichtung des Positionsmesssystems verlaufen und eine der Messstrecke abgewandte Trapezseite wenigstens annähernd in Vertikalrichtung des Positionsmesssystems verläuft.Alternatively or additionally it can be provided that the mentioned side of the quadrilateral extends at an angle with respect to the vertical which varies monotonically, in particular strictly monotonically, in particular proportionally to the position in the course of this length over the course of the length of the permanent magnet. In a preferred development, the angle with respect to the vertical varies overall (over the full length of the permanent magnet) by an angular amount of at least 10 °, in particular at least 30 ° or at least 60 °. On the other hand, it is advantageous in many cases if this angular amount is a maximum of 120 °, in particular a maximum of 90 °. In particular, it can also be provided here that the cross-section of the permanent magnet has a uniform (not varying) cross-sectional area over the length of the same. In one embodiment, said square is a trapezoid in which two parallel trapezoid sides run at least approximately in the lateral direction of the position measuring system and one side of the trapezoid facing away from the measuring section runs at least approximately in the vertical direction of the position measuring system.
In einer Ausführungsform ist der Permanentmagnet als ein ringförmig (z. B. kreisringförmig) geschlossen verlaufender Körper ausgebildet, wobei die Messstrecke z. B. ebenfalls ringförmig (z. B. kreisringförmig) geschlossen radial außerhalb des Permanentmagneten verlaufen kann.In one embodiment, the permanent magnet is designed as an annular (z. B. circular) closed body, wherein the measuring path z. B. also ring-shaped (z. B. circular ring) closed radially outside of the permanent magnet.
Auch in diesem Fall können vorteilhaft die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen des Permanentmagneten vorgesehen werden, wobei hinsichtlich der Begrifflichkeiten zu beachten ist: „entlang der Länge (des Permanentmagneten)“ bedeutet dann „entlang des Umfangs“, und „eine volle Länge (des Permanentmagneten)“ bedeutet dann „einen vollen 360°-Umfang/Umlauf“. Außerdem ist folgende Restriktion zu beachten: Ein Querschnitt an einer bestimmten Stelle muss nach Fortschreiten entlang des Umfangs (spätestens) alle 360° reproduziert werden. Bei der Ausgestaltung des Permanentmagneten als ein Profil ist das zwar immer der Fall, bei einer Ausgestaltung mit einem über die Länge (Verlauf, d. h. hier 360°-Umlauf) variierenden Querschnitt stellt dies jedoch eine Restriktion dar.In this case too, the above-described configurations of the permanent magnet can advantageously be provided, with The following should be noted with regard to the terminology: "along the length (of the permanent magnet)" then means "along the circumference", and "a full length (of the permanent magnet)" then means "a full 360 ° circumference / rotation". In addition, the following restriction must be observed: A cross-section at a certain point must be reproduced every 360 ° after progressing along the circumference (at the latest). This is always the case with the design of the permanent magnet as a profile, but with a design with a cross-section that varies over the length (course, ie here 360 ° rotation), this represents a restriction.
Unter Berücksichtigung dieser Restriktion bedarf bei einem ringförmig geschlossen verlaufenden Permanentmagneten die vorstehend beschriebene Ausgestaltung, bei der „die genannte Seite des Vierecks an einer mittleren Stelle im Verlauf der Länge des Permanentmagneten vertikal verläuft (und der Querschnitt dort z. B. wenigstens annähernd rechteckig ist), jedoch mit zunehmendem Abstand von der mittleren Stelle zunehmend schräg (bezüglich der Vertikalen) verläuft“, einer Modifikation. Bei Ausgestaltung mit einem über den 360°-Umlauf variierenden Querschnitt ist gemäß einer modifizierten Ausgestaltung vorgesehen, dass die genannte Seite des Vierecks an (wenigstens) einer bestimmten ersten Stelle im Verlauf des Permanentmagneten vertikal verläuft (und der Querschnitt dort z. B. wenigstens annähernd rechteckig ist) und mit zunehmendem Abstand von dieser ersten Stelle bis hin zu (wenigstens) einer zweiten Stelle zunehmend schräg (bezüglich der Vertikalen) verläuft, wobei jedoch nach Überschreiten jeder solchen zweiten Stelle die Viereckseite wieder abnehmend schräg (bezüglich der Vertikalen) verläuft.Taking this restriction into account, an annularly closed permanent magnet requires the configuration described above, in which "the mentioned side of the quadrangle runs vertically at a central point along the length of the permanent magnet (and the cross-section there, for example, is at least approximately rectangular). , but with increasing distance from the central point runs increasingly obliquely (with respect to the vertical) ”, a modification. In the case of an embodiment with a cross-section that varies over the 360 ° rotation, a modified embodiment provides that the mentioned side of the quadrilateral runs vertically at (at least) a certain first point in the course of the permanent magnet (and the cross-section there, for example, at least approximately rectangular) and with increasing distance from this first point up to (at least) a second point runs increasingly obliquely (with respect to the vertical), but after each such second point is exceeded, the side of the square again runs decreasingly obliquely (with respect to the vertical).
Ferner bedarf unter Berücksichtigung der Restriktion bei einem ringförmig geschlossen verlaufenden Permanentmagneten die vorstehend beschriebene Ausgestaltung einer Modifikation, bei der „die genannte Seite des Vierecks in einem Winkel bezüglich der Vertikalen verläuft, der im Verlauf der Länge des Permanentmagneten monoton, insbesondere streng monoton, insbesondere proportional zur Position im Verlauf dieser Länge variiert“, wobei in einer bevorzugten Weiterbildung „der Winkel bezüglich der Vertikalen hierbei insgesamt (über die volle Länge des Permanentmagneten) um einen Winkelbetrag von mindestens 10°, insbesondere mindestens 30° oder mindestens 60° variiert“. Bei Ausgestaltung mit einem über den 360°-Umlauf variierenden Querschnitt ist gemäß einer modifizierten Ausgestaltung vorgesehen, dass die genannte Seite des Vierecks in einem Winkel bezüglich der Vertikalen verläuft, der im Verlauf des Umfangs des Permanentmagneten abschnittweise monoton, insbesondere streng monoton, insbesondere proportional zur Position im Verlauf dieses Umfangs variiert, wobei wenigstens ein Abschnitt des Umfangs mit monotoner Zunahme und wenigstens ein Abschnitt des Umfangs mit monotoner Abnahme vorgesehen ist, wobei in einer bevorzugten Weiterbildung der Winkel bezüglich der Vertikalen über den vollen Umfang des Permanentmagneten und/oder jeden der genannten Abschnitte um einen Winkelbetrag von mindestens 10°, insbesondere mindestens 30° oder mindestens 60° variiert (und z. B. um maximal 120°, insbesondere um maximal 90°, variiert).Furthermore, taking into account the restriction in an annularly closed permanent magnet, the configuration described above requires a modification in which “the mentioned side of the quadrilateral extends at an angle with respect to the vertical that is monotonous, in particular strictly monotonous, in particular proportional, over the length of the permanent magnet to the position in the course of this length varies ”, whereby in a preferred development“ the angle with respect to the vertical varies here overall (over the full length of the permanent magnet) by an angular amount of at least 10 °, in particular at least 30 ° or at least 60 ° ”. In the case of an embodiment with a cross-section that varies over the 360 ° circumference, a modified embodiment provides that the mentioned side of the quadrilateral extends at an angle with respect to the vertical that is monotonous in sections, in particular strictly monotonous, in particular proportional to the course of the circumference of the permanent magnet Position varies over the course of this circumference, at least a portion of the circumference with a monotonic increase and at least a portion of the circumference with a monotonic decrease is provided, in a preferred development the angle with respect to the vertical over the full circumference of the permanent magnet and / or each of the mentioned Sections varied by an angular amount of at least 10 °, in particular at least 30 ° or at least 60 ° (and varied, for example, by a maximum of 120 °, in particular by a maximum of 90 °).
Hinsichtlich der Magnetisierung des Permanentmagneten gibt es verschiedene Möglichkeiten.There are various possibilities with regard to the magnetization of the permanent magnet.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Permanentmagnet homogen magnetisiert ist, wobei in diesem Fall der Permanentmagnet beispielsweise als ein langgestrecktes Profil ausgebildet und insbesondere orthogonal zu einer Profilachse des Profils magnetisiert sein kann (z. B. vertikal).In one embodiment of the invention it is provided that the permanent magnet is magnetized homogeneously, in which case the permanent magnet can be designed, for example, as an elongated profile and in particular be magnetized orthogonally to a profile axis of the profile (e.g. vertically).
Im Falle einer homogenen Magnetisierung des Permanentmagneten ist bevorzugt eine zumindest annähernd orthogonal zu einem Verlauf des Permanentmagneten orientierte Magnetisierungsrichtung vorgesehen, insbesondere z. B. eine zumindest annähernd vertikal orientierte Magnetisierungsrichtung.In the case of a homogeneous magnetization of the permanent magnet, a magnetization direction oriented at least approximately orthogonally to a course of the permanent magnet is preferably provided, in particular z. B. an at least approximately vertically oriented direction of magnetization.
Eine homogene Magnetisierung in Richtung der Profilachse des Profils, oder allgemein in Richtung der Länge des Permanentmagneten, soll im Rahmen der Erfindung jedoch nicht ausgeschlossen sein.Homogeneous magnetization in the direction of the profile axis of the profile, or generally in the direction of the length of the permanent magnet, should not, however, be excluded within the scope of the invention.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Ausführungsform mit homogener Magnetisierung ist vorgesehen, dass die Anordnung und/oder Formgestaltung des oder der Flussleitstücke über die Länge des Permanentmagneten betrachtet derart ungleichmäßig ist, dass dadurch die Abhängigkeit des Magnetfeldes von der Position des Magnetfeldsensors entlang der Messstrecke und somit die Messsystemcharakteristik nennenswert modifiziert wird, oder dass dadurch diese Abhängigkeit sogar erst hervorgerufen wird. Hierzu zwei Ausführungsbeispiele:
- 1. Beispiel: Bei einem Permanentmagneten, der als ein langgestrecktes (z. B. geradlinig) verlaufendes Profil ausgebildet und homogen in Richtung seiner Profilachse magnetisiert ist, ergibt sich entlang einer parallel zur Profilachse verlaufenden Messstrecke eine qualitativ relativ komplizierte und quantitativ relativ schwache Abhängigkeit des Magnetfeldes von der Position entlang der Messstrecke. Mit dem Einsatz eines oder mehrerer über die Länge des Permanentmagneten betrachtet ungleichmäßiger Flussleitstücke lässt sich die Abhängigkeit jedoch vorteilhaft sowohl qualitativ (z. B. Linearisierung) als auch quantitativ (z. B. Vergrößerung eines „Hubs“ der vom Magnetfeldsensor gemessenen Größe(n)) modifizieren bzw. verbessern.
- 2. Beispiel: Bei einem Permanentmagneten, der als ein langgestrecktes (z. B. geradlinig) verlaufendes Profil ausgebildet und homogen orthogonal zu seiner Profilachse (z. B. vertikal) magnetisiert ist, ergibt sich entlang einer seitlich neben dem Permanentmagneten entlang desselben parallel zur Profilachse verlaufenden Messstrecke überhaupt keine Abhängigkeit des Magnetfeldes von der Position entlang der Messstrecke (abgesehen von „Randeffekten“ an den Enden einer bis an die beiden Enden des Permanentmagneten heranreichenden Messstrecke). Mit dem Einsatz eines oder mehrerer über die Länge des Permanentmagneten betrachtet ungleichmäßiger Flussleitstücke lässt sich eine solche Abhängigkeit jedoch vorteilhaft hervorrufen und sogar qualitativ in einem gewissen Ausmaß in gewünschter Weise einstellen.
- 1st example: In the case of a permanent magnet, which is designed as an elongated (e.g. straight) profile and is magnetized homogeneously in the direction of its profile axis, there is a qualitatively relatively complicated and quantitatively relatively weak dependency of the measurement path running parallel to the profile axis Magnetic field from the position along the measuring section. With the use of one or more non-uniform flux guide pieces viewed over the length of the permanent magnet, the dependency can be advantageously reduced both qualitatively (e.g. linearization) as well as quantitatively (e.g. increasing a "stroke" of the variable (s) measured by the magnetic field sensor) or improving it.
- 2nd example: In the case of a permanent magnet, which is designed as an elongated (e.g. straight) profile and is magnetized homogeneously orthogonally to its profile axis (e.g. vertically), the result is along a side next to the permanent magnet along the same parallel to Measuring section running along the profile axis, there is absolutely no dependence of the magnetic field on the position along the measuring section (apart from "edge effects" at the ends of a measuring section that extends to both ends of the permanent magnet). With the use of one or more non-uniform flux guide pieces viewed over the length of the permanent magnet, however, such a dependency can advantageously be brought about and can even be set qualitatively to a certain extent in the desired manner.
Gemäß einer spezielleren Ausführungsform ist der Permanentmagnet homogen mit einer im Wesentlichen orthogonal zu einem Verlauf des Permanentmagneten orientierten Magnetisierungsrichtung magnetisiert, insbesondere mit einer im Wesentlichen vertikal orientierten Magnetisierungsrichtung, wobei ein unteres und ein oberes Flussleitstück vorgesehen sind, die sich im gesamten Verlauf der Messstrecke in seitlicher Richtung betrachtet jeweils bis hin zum Permanentmagneten erstrecken und jeweils am Permanentmagneten anliegen (und z. B. bündig mit dem Permanentmagneten abschließen), und die sich jeweils an einer Stelle im Verlauf der Messstrecke in seitlicher Richtung betrachtet bis hin zur Messstrecke oder über die Messstrecke hinaus erstrecken und über wenigstens einen Teil des Verlaufs der Messstrecke eine variierende seitliche Erstreckung besitzen. Die Konturen (von oben oder unten betrachtet) der beiden Flussleitstücke können hierbei insbesondere z. B. spiegelbildlich zueinander verlaufen, bezogen auf eine in einem mittleren Bereich der Messstrecke vertikal sich erstreckende Spiegelebene. Eine Längsmittellinie des Permanentmagneten kann hierbei geradlinig oder gekrümmt verlaufen.According to a more specific embodiment, the permanent magnet is magnetized homogeneously with a magnetization direction oriented essentially orthogonally to a course of the permanent magnet, in particular with an essentially vertically oriented magnetization direction, with a lower and an upper flux guide being provided, which extend laterally over the entire course of the measuring section Viewed in direction, each extend up to the permanent magnet and lie against the permanent magnet (and e.g. end flush with the permanent magnet), and each at one point in the course of the measuring section, viewed in a lateral direction, up to the measuring section or beyond the measuring section extend and have a varying lateral extent over at least part of the course of the measuring section. The contours (viewed from above or below) of the two flux guide pieces can in particular, for. B. run mirror images of each other, based on a mirror plane extending vertically in a central region of the measuring section. A longitudinal center line of the permanent magnet can be straight or curved.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Permanentmagnet inhomogen magnetisiert ist, wobei auch in diesem Fall der Permanentmagnet beispielsweise als ein langgestrecktes Profil ausgebildet sein kann, und wobei insbesondere z. B. eine „wendelförmig“ entlang einer Profilachse des Profils, oder allgemeiner entlang der Länge des Permanentmagneten, variierende Magnetisierung vorgesehen sein kann.In another embodiment of the invention it is provided that the permanent magnet is magnetized inhomogeneously, wherein in this case too the permanent magnet can be designed, for example, as an elongated profile, and where in particular, for. B. a “helical” along a profile axis of the profile, or more generally along the length of the permanent magnet, varying magnetization can be provided.
Eine solche wendelförmige Variation kann insbesondere derart vorgesehen sein, dass eine (lokale) Magnetisierungsrichtung im Wesentlichen ausschließlich von der Position entlang der Profilachse des Profils (allgemein: entlang der Länge des Permanentmagneten) abhängt.Such a helical variation can in particular be provided such that a (local) direction of magnetization depends essentially exclusively on the position along the profile axis of the profile (generally: along the length of the permanent magnet).
Im Falle einer inhomogenen Magnetisierung des Permanentmagneten ist bevorzugt eine zumindest annähernd orthogonal zu einem Verlauf des Permanentmagneten orientierte und im Verlauf des Permanentmagneten variierende Magnetisierungsrichtung vorgesehen.In the case of an inhomogeneous magnetization of the permanent magnet, a magnetization direction which is at least approximately orthogonal to a course of the permanent magnet and which varies in the course of the permanent magnet is preferably provided.
In einer Weiterbildung der Ausführungsform mit inhomogener Magnetisierung ist vorgesehen, dass die Anordnung und Formgestaltung des oder der Flussleitstücke über die Länge des Permanentmagneten betrachtet gleichmäßig ist. Zu diesem Zweck kann das Flussleitstück bzw. z. B. jedes von zwei unterhalb bzw. überhalb der Messstrecke angeordneten Flussleitstücken jeweils als eine Platte formgestaltet sein, die sich unterhalb oder überhalb der Messstrecke einerseits in Richtung der Messstrecke und hierbei der Messstrecke über deren gesamte Länge folgend und andererseits in seitlicher Richtung mit konstanter Erstreckung (z. B. Plattenbreite) erstreckt. In diesem Fall ergibt sich keine nennenswerte qualitative Änderung der Messsystemcharakteristik, die im Wesentlichen bereits durch die inhomogene (z. B. wendelförmige) Magnetisierung vorgegeben sein kann. Jedoch ergibt sich vorteilhaft eine hohe Abschirmwirkung hinsichtlich Störfeldern, und ferner kann vorteilhaft eine gewisse quantitative Modifikation der Messsystemcharakteristik durch Verstärkung und Homogenisierung des Magnetfeldes im Bereich der Messstrecke erzielt werden.In a further development of the embodiment with inhomogeneous magnetization, it is provided that the arrangement and shape of the flux guide piece (s) are uniform over the length of the permanent magnet. For this purpose, the flux guide or z. B. each of two flux guide pieces arranged below or above the measuring section can each be designed as a plate, which extends below or above the measuring section on the one hand in the direction of the measuring section and here the measuring section over its entire length and on the other hand in the lateral direction with constant extension ( e.g. plate width). In this case, there is no significant qualitative change in the measuring system characteristic, which can essentially already be predetermined by the inhomogeneous (e.g. helical) magnetization. However, there is advantageously a high shielding effect with regard to interference fields and, furthermore, a certain quantitative modification of the measuring system characteristics can advantageously be achieved by amplifying and homogenizing the magnetic field in the area of the measuring section.
In einer anderen Weiterbildung der Ausführungsform mit inhomogener Magnetisierung ist vorgesehen, dass die Anordnung und/oder Formgestaltung des oder der Flussleitstücke über die Länge des Permanentmagneten betrachtet ungleichmäßig ist, um durch eine damit bewerkstelligte Modifikation der Abhängigkeit des Magnetfeldes von der Position des Magnetfeldsensors entlang der Messstrecke die Messsystemcharakteristik in einer gewünschten Weise zu modifizieren (z. B. Linearisierung).In another development of the embodiment with inhomogeneous magnetization, it is provided that the The arrangement and / or shape of the flux guide piece (s) over the length of the permanent magnet is uneven, in order to modify the measuring system characteristics in a desired way (e.g. linearization) by modifying the dependence of the magnetic field on the position of the magnetic field sensor along the measuring section ).
Hierzu ein Ausführungsbeispiel: Bei einem Permanentmagneten, der als ein langgestrecktes (z. B. geradlinig) verlaufendes Profil ausgebildet und inhomogen, orthogonal zu seiner Profilachse „wendelförmig“ magnetisiert ist, ergibt sich entlang einer parallel zur Profilachse verlaufenden Messstrecke bereits eine qualitativ einfache und quantitativ relativ starke Abhängigkeit des Magnetfeldes von der Position entlang der Messstrecke. Der erfindungsgemäße Einsatz eines oder mehrerer Flussleitstücke kann dann z. B. in erster Linie zur Störfeldabschirmung dienen. Dennoch kann auch in diesem Beispiel durch eine gezielt eingesetzte Ungleichmäßigkeit von Anordnung und/oder Formgestaltung des oder der Flussleitstücke über die Länge des Permanentmagneten betrachtet die Messsystemcharakteristik vorteilhaft modifiziert (z. B. linearisiert) werden.Here is an exemplary embodiment: In the case of a permanent magnet, which is designed as an elongated (e.g. straight) profile and is magnetized inhomogeneously, orthogonally to its profile axis, "helically", a qualitatively simple and quantitative result is obtained along a measurement section running parallel to the profile axis Relatively strong dependence of the magnetic field on the position along the measuring section. The inventive use of one or more flux guide pieces can then, for. B. serve primarily to shield interference fields. Nevertheless, in this example too, the measuring system characteristics can advantageously be modified (e.g. linearized) through a targeted non-uniformity of the arrangement and / or shape of the flux guide piece (s) considered over the length of the permanent magnet.
Zu diesem Zweck kann das Flussleitstück bzw. z. B. jedes von zwei unterhalb bzw. überhalb der Messstrecke angeordneten Flussleitstücken jeweils als eine Platte formgestaltet sein, die sich unterhalb oder überhalb der Messstrecke einerseits in Richtung der Messstrecke und hierbei der Messstrecke z. B. über deren gesamte Länge folgend und andererseits in seitlicher Richtung mit ungleichmäßiger Erstreckung (z. B. Plattenbreite) erstreckt.For this purpose, the flux guide or z. B. each of two flux guide pieces arranged below or above the measuring section can each be designed as a plate that extends below or above the measuring section on the one hand in the direction of the measuring section and here the measuring section z. B. following over the entire length and on the other hand in the lateral direction with uneven extension (z. B. plate width).
Gemäß einer spezielleren Ausführungsform ist der Permanentmagnet inhomogen mit einer im Wesentlichen orthogonal zu einem Verlauf des Permanentmagneten orientierten und im Verlauf des Permanentmagneten variierenden Magnetisierungsrichtung magnetisiert, wobei ein unteres und ein oberes Flussleitstück vorgesehen sind, die sich im gesamten Verlauf der Messstrecke in seitlicher Richtung betrachtet jeweils einerseits bis hin zum Permanentmagneten erstrecken und am Permanentmagneten anliegen und sich jeweils andererseits bis hin zur Messstrecke oder über die Messstrecke hinaus erstrecken. Der Permanentmagnet kann hierbei z. B. als ein langgestreckter Körper mit einem über dessen Länge variierenden Querschnitt ausgebildet sein, insbesondere wobei der Querschnitt die Form eines Vierecks besitzt, bei welchem über die Länge des Permanentmagneten die Orientierung einer der Messstrecke zugewandten Seite des Vierecks variiert. Insbesondere kann die im Verlauf des Permanentmagneten variierende Magnetisierungsrichtung als eine („wendelförmige“) Verdrehung der Magnetisierungsrichtung vorgesehen sein, wobei sich über den gesamten Verlauf des Permanentmagneten z. B. ein Verdrehwinkel ergeben kann, der mindestens 10°, insbesondere mindestens 20° beträgt. Andererseits ist es in vielen Fällen ausreichend, wenn dieser Verdrehwinkel maximal 120°, insbesondere maximal 90° beträgt. Eine Längsmittellinie des Permanentmagneten kann hierbei geradlinig oder gekrümmt verlaufen.According to a more specific embodiment, the permanent magnet is inhomogeneously magnetized with a magnetization direction oriented essentially orthogonally to a course of the permanent magnet and varying in the course of the permanent magnet, with a lower and an upper flux guide being provided, which are viewed in the lateral direction over the entire course of the measuring section on the one hand extend up to the permanent magnet and bear against the permanent magnet and on the other hand each extend up to the measuring section or beyond the measuring section. The permanent magnet can here, for. B. be designed as an elongated body with a varying cross-section over its length, in particular wherein the cross-section has the shape of a square, in which the orientation of a side of the square facing the measuring section varies over the length of the permanent magnet. In particular, the direction of magnetization, which varies in the course of the permanent magnet, can be provided as a (“helical”) rotation of the direction of magnetization. B. can result in a twist angle which is at least 10 °, in particular at least 20 °. On the other hand, it is sufficient in many cases if this angle of rotation is a maximum of 120 °, in particular a maximum of 90 °. A longitudinal center line of the permanent magnet can run straight or curved.
Wie bereits erwähnt kann der Permanentmagnet im Rahmen der Erfindung als ein ringförmig geschlossen verlaufender Körper (z. B. Profil) ausgebildet sein. Auch in diesem Fall können vorteilhaft die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen mit homogener oder inhomogener Magnetisierung vorgesehen werden, wenn hinsichtlich der Begrifflichkeiten beachtet wird, dass „entlang der Länge (des Permanentmagneten)“ dann „entlang des Umfangs“ bedeutet, und „eine volle Länge (des Permanentmagneten)“ dann z. B. „einen vollen 360°-Umfang/Umlauf“ bedeuten kann, und die Restriktion beachtet wird, dass eine Magnetisierung (in Betrag und Richtung) an einer bestimmten Stelle nach Fortschreiten entlang des Umfangs (spätestens) alle 360° reproduziert werden muss. Der Begriff „in seitlicher Richtung“ ist dann zu verstehen als „in radialer Richtung“. In einer Ausführungsform ist entlang des Umfangs eine periodisch sich ändernde Magnetisierungsrichtung vorgesehen, wobei über den vollen Umfang (360°) betrachtet nur eine Periode oder aber mehrere Perioden (z. B. 2, 3, 4 oder mehr Perioden) eines Umfangswinkel-abhängigen Verlaufs der Magnetisierungsrichtung vorgesehen sein können.As already mentioned, within the scope of the invention, the permanent magnet can be designed as an annularly closed body (e.g. profile). In this case, too, the configurations described above with homogeneous or inhomogeneous magnetization can advantageously be provided if, with regard to the terminology, it is noted that “along the length (of the permanent magnet)” then means “along the circumference” and “a full length (of the Permanent magnets) "then z. B. can mean "a full 360 ° circumference / rotation", and the restriction is observed that a magnetization (in amount and direction) at a certain point after progressing along the circumference (at the latest) must be reproduced every 360 °. The term “in the lateral direction” is then to be understood as “in the radial direction”. In one embodiment, a periodically changing direction of magnetization is provided along the circumference, with only one period or several periods (e.g. 2, 3, 4 or more periods) of a circumferential angle-dependent curve viewed over the full circumference (360 °) the direction of magnetization can be provided.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Positionsmesssystem (wenigstens) ein unteres ferromagnetisches Flussleitstück auf, das sich unterhalb der Messstrecke plattenförmig einerseits in Richtung der Messstrecke und wenigstens einem Teil der Messstrecke folgend und andererseits in seitlicher Richtung erstreckt, und weist das Positionsmesssystem (wenigstens) ein oberes ferromagnetisches Flussleitstück auf, das sich überhalb der Messstrecke plattenförmig einerseits in Richtung der Messstrecke und wenigstens einem Teil der Messstrecke folgend und andererseits in seitlicher Richtung erstreckt.In one embodiment of the invention, the position measuring system has (at least) one lower ferromagnetic flux guiding piece, which extends below the measuring section in the form of a plate on the one hand in the direction of the measuring section and following at least part of the measuring section and on the other hand in a lateral direction, and (at least) one of the position measuring system upper ferromagnetic flux guiding piece, which extends above the measuring section in the form of a plate on the one hand in the direction of the measuring section and following at least part of the measuring section and on the other hand in the lateral direction.
Bei der Beschreibung von besonderen Details oder Ausführungsformen betreffend die Gestaltung eines bzw. des Flussleitstücks kann diese Beschreibung im Falle des Vorhandenseins mehrerer Flussleitstücke, beispielsweise eines unteren und eines oberen Flussleitstücks wie vorstehend erwähnt, auf eines oder mehrere oder alle dieser vorhandenen Flussleitstücke bezogen werden.When describing particular details or embodiments relating to the design of a flux guide piece, this description can be related to one or more or all of these flux guide pieces in the case of the presence of several flow guide pieces, for example a lower and an upper flow guide piece as mentioned above.
In einer Ausführungsform ist das Flussleitstück aus einem weichmagnetischen Material, insbesondere einem Metall oder einer Metalllegierung, gebildet.In one embodiment, the flux guide piece is formed from a soft magnetic material, in particular a metal or a metal alloy.
Bei dem Material des Flussleitstücks kann es sich insbesondere z. B. um Eisen oder eine Metalllegierung enthaltend Eisen (z. B. Eisennickellegierung) handeln.In the case of the material of the flux guide piece, it can in particular be e.g. B. iron or a metal alloy containing iron (z. B. iron-nickel alloy) act.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Flussleitstück als ein massives Blech („Flussleitblech“) ausgebildet ist, insbesondere als ein Blech mit einheitlicher Dicke. Geeignete Bleche können z. B. als Stanzblech ausgebildet bzw. gefertigt sein.In one embodiment it is provided that the flux guide piece is designed as a solid sheet metal (“flux guide sheet”), in particular as a sheet with a uniform thickness. Suitable sheets can, for. B. be designed or manufactured as a stamped sheet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform beträgt eine Dicke (bzw. eine über eine Blechfläche gemittelte Dicke) mindestens das 0,05-fache, insbesondere mindestens das 0,1-fache einer (ggf. maximalen) Erstreckung des Permanentmagneten in Vertikalrichtung, und/oder beträgt diese Dicke maximal das 0,5-fache, insbesondere maximal das 0,4-fache dieser Erstreckung.In an advantageous embodiment, a thickness (or a thickness averaged over a sheet metal area) is at least 0.05 times, in particular at least 0.1 times, and / or is at least 0.1 times the (possibly maximum) extension of the permanent magnet in the vertical direction Thickness a maximum of 0.5 times, in particular a maximum of 0.4 times this extension.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Flussleitstück die Form einer ebenen Platte besitzt, wobei eine Plattenebene sich einerseits zumindest annähernd parallel zur Messstrecke (unterhalb oder überhalb derselben) und andererseits in seitlicher Richtung, insbesondere zumindest annähernd in horizontaler Richtung, erstrecken kann.In one embodiment it is provided that the flux guiding piece has the shape of a flat plate, a plate plane on the one hand being able to extend at least approximately parallel to the measuring section (below or above the same) and on the other hand in the lateral direction, in particular at least approximately in the horizontal direction.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Flussleitstück sich an wenigstens einer Stelle im Verlauf der Messstrecke in seitlicher Richtung betrachtet bis hin zum Permanentmagneten erstreckt (z. B. horizontal erstreckt), insbesondere am Permanentmagneten anliegt. So kann z. B. ein unterhalb der Messstrecke angeordnetes Flussleitstück mit einem stirnseitigen Rand oder mit einem Teil seiner oberen Flachseite am Permanentmagneten anliegen, wohingegen ein überhalb der Messstrecke angeordnetes Flussleitstück mit einem stirnseitigen Rand oder mit einem Teil seiner unteren Flachseite am Permanentmagneten anliegen kann.In one embodiment, it is provided that the flux guiding piece extends at least at one point in the course of the measuring section as far as the permanent magnet when viewed in the lateral direction (e.g. extends horizontally), in particular rests against the permanent magnet. So z. B. a flux guide arranged below the measuring section with a front edge or with part of its upper flat side rest on the permanent magnet, whereas a flux guide arranged above the measurement section can rest with a front edge or with part of its lower flat side on the permanent magnet.
Bevorzugt ist eine flächige Anlage des (sich plattenförmig erstreckenden) Flussleitstücks an einer entsprechenden Anlagefläche des Permanentmagneten vorgesehen. Die Anlagefläche kann z. B. als eine ebene Fläche ausgestaltet sein. Die Anlagefläche kann z. B. eine untere oder eine obere Abschlussfläche des Permanentmagneten darstellen, wobei in diesem Fall bevorzugt ist, dass das betreffende Flussleitstück vollflächig an dieser Anlagefläche anliegt. Die Anlagefläche kann z. B. horizontal orientiert sein.A flat contact of the (plate-shaped extending) flux guide piece on a corresponding contact surface of the permanent magnet is preferably provided. The contact surface can, for. B. be designed as a flat surface. The contact surface can, for. B. represent a lower or an upper end surface of the permanent magnet, in which case it is preferred that the flux guide piece in question is in full contact with this contact surface. The contact surface can, for. B. be oriented horizontally.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Flussleitstück sich an wenigstens einer Stelle im Verlauf der Messstrecke in seitlicher Richtung betrachtet bis hin zur Messstrecke oder über die Messstrecke hinaus erstreckt.In one embodiment of the invention it is provided that the flux guiding piece extends at least at one point in the course of the measuring section viewed in the lateral direction up to the measuring section or beyond the measuring section.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Flussleitstück sich über den gesamten Verlauf der Messstrecke in seitlicher Richtung betrachtet bis hin zur Messstrecke oder über die Messstrecke hinaus erstreckt. Im Falle einer geradlinig verlaufenden Messstrecke kann hierfür z. B. ein Flussleitstück mit einer rechteckigen Kontur vorgesehen sein. Im Falle einer ringförmig (z. B. kreisringförmig) geschlossen verlaufenden Messstrecke kann hierfür z. B. ein Flussleitstück mit einer einheitlich breit ringförmigen bzw. mit einer kreisringförmigen Kontur vorgesehen sein.In a further development of this embodiment it is provided that the flux guiding piece extends over the entire course of the measuring section viewed in the lateral direction up to the measuring section or beyond the measuring section. In the case of a rectilinear measuring section, this z. B. be provided a flux guide with a rectangular contour. In the case of an annular (z. B. circular) closed measuring section, this can be, for. B. a flux guide with a uniformly wide annular or with a circular contour can be provided.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Flussleitstück im gesamten Verlauf der Messstrecke in seitlicher Richtung betrachtet sich einerseits bis hin zum Permanentmagneten erstreckt und am Permanentmagneten anliegt und sich andererseits bis hin zur Messstrecke oder über die Messstrecke hinaus erstreckt.In one embodiment of the invention, it is provided that the flux guide piece extends as far as the permanent magnet and rests on the permanent magnet in the entire course of the measuring section viewed in the lateral direction, and on the other hand extends to the measuring section or beyond the measuring section.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Flussleitstück über wenigstens einen Teil des Verlaufs der Messstrecke eine variierende seitliche Erstreckung besitzt. Bevorzugt variiert hierbei nur die seitliche Erstreckung des dem Permanentmagneten abgewandten Teils des Flussleitstücks, wohingegen der dem Permanentmagneten zugewandte Teil des Flussleitstücks eine einheitliche seitliche Erstreckung besitzt und z. B. mit einer Stirnseite oder (bevorzugt) einem Teil der Flachseite am Permanentmagneten anliegt.In one embodiment of the invention it is provided that the flux guide piece has a varying lateral extent over at least part of the course of the measuring section. Preferably, only the lateral extension of the part of the flux guide piece facing away from the permanent magnet varies, whereas the part of the flux guide piece facing the permanent magnet has a uniform lateral extension and z. B. with an end face or (preferably) a part of the flat side rests on the permanent magnet.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Flussleitstück über den gesamten Verlauf der Messstrecke eine variierende seitliche Erstreckung besitzt. Auch in diesem Fall variiert hierbei bevorzugt nur die seitliche Erstreckung des dem Permanentmagneten abgewandten Teils des Flussleitstücks. Im Falle einer geradlinig verlaufenden Messstrecke kann hierfür z. B. ein Flussleitstück mit einer trapezförmigen Kontur vorgesehen sein.In a further development of this embodiment it is provided that the flux guiding piece has a varying lateral extent over the entire course of the measuring section. In this case too, only the lateral extent of the part of the flux guide piece facing away from the permanent magnet preferably varies. In the case of a rectilinear measuring section, this z. B. be provided a flux guide with a trapezoidal contour.
Wie bereits erwähnt kann der Permanentmagnet im Rahmen der Erfindung als ein ringförmig (z. B. kreisringförmig) geschlossen verlaufender Körper (z. B. Profil) ausgebildet sein. Auch dann können vorteilhaft vorstehend beschriebene Ausgestaltungen des Flussleitstücks vorgesehen werden, insbesondere z. B. auch mit (wenigstens) einem ringförmig geschlossen verlaufenden Flussleitstück. Zu beachten ist die Restriktion, dass der Querschnitt des Flussleitstücks an einer bestimmten Stelle nach Fortschreiten entlang des Umfangs (spätestens) alle 360° reproduziert werden muss. Der Begriff „in seitlicher Richtung“ ist dann zu verstehen als „in radialer Richtung“. Die Restriktion ist z. B. erfüllt, wenn das bzw. jedes Flussleitstück im Verlauf des Umfangs einen einheitlichen Querschnitt besitzt. Möglich sind jedoch auch Ausführungen, bei denen das Flussleitstück im Verlauf des Umfangs einen uneinheitlichen Querschnitt besitzt (insbesondere z. B. eine uneinheitliche seitliche bzw. radiale Erstreckung, z. B. auf dessen der Messstrecke zugewandten (radial äußeren) Seite). In einer Ausführungsform ist entlang des Umfangs eine periodisch sich ändernde radiale Erstreckung des Flussleitstücks vorgesehen, wobei über den vollen Umfang (360°) des Systems betrachtet nur eine Periode oder aber mehrere Perioden (z. B. 2, 3, 4 oder mehr Perioden) eines Umfangswinkel-abhängigen Verlaufs dieser radialen Erstreckung vorgesehen sein können.As already mentioned, within the scope of the invention, the permanent magnet can be designed as a ring-shaped (for example circular ring-shaped) body (for example profile) running in a closed manner. Even then, the above-described configurations of the flux guide piece can advantageously be provided, in particular, for. B. also with (at least) one annularly closed flux guide. Note the restriction that the cross-section of the flux guide must be reproduced at a certain point after progressing along the circumference (at the latest) every 360 °. The term “in the lateral direction” is then to be understood as “in the radial direction”. The restriction is e.g. B. fulfilled when the or each flux guide has a uniform cross section over the circumference. However, designs are also possible in which the flux guide piece has a non-uniform cross-section in the course of the circumference (in particular, for example, a non-uniform lateral or radial extension, e.g. on its (radially outer) side facing the measuring section). In one embodiment, a periodically changing radial extension of the flux guide piece is provided along the circumference, with only one period or several periods (e.g. 2, 3, 4 or more periods) viewed over the full circumference (360 °) of the system. a circumferential angle-dependent course of this radial extension can be provided.
Mit dem bei der Erfindung eingesetzten (wenigstens einen) Magnetfeldsensor wird das Magnetfeld am Ort des Magnetfeldsensors zur Bestimmung einer Richtung des Magnetfeldes gemessen, um basierend auf der Bestimmung dieser Richtung des Magnetfeldes die Position des Magnetfeldsensors entlang der neben dem Permanentmagneten verlaufenden Messstrecke zu bestimmen.With the (at least one) magnetic field sensor used in the invention, the magnetic field is measured at the location of the magnetic field sensor to determine a direction of the magnetic field in order to determine the position of the magnetic field sensor based on the determination of this direction of the magnetic field to be determined along the measuring section running next to the permanent magnet.
In einer Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor zur Bereitstellung (wenigstens) eines analogen Sensorsignals (z. B. Spannungssignal) ausgebildet.In one embodiment, the magnetic field sensor is designed to provide (at least) one analog sensor signal (e.g. voltage signal).
In einer Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor zur Bereitstellung (wenigstens) eines digitalen Sensorsignals (Datensignal) ausgebildet.In one embodiment, the magnetic field sensor is designed to provide (at least) one digital sensor signal (data signal).
Der Begriff „Magnetfeldsensor“ ist im Sinne der Erfindung insofern breit zu verstehen, als es bei dieser Messung in der Regel weder erforderlich noch zweckmäßig ist, den Magnetfeldvektor am Ort des Magnetfeldsensors vollständig, d. h. hinsichtlich Betrag und Richtung, zu messen.The term “magnetic field sensor” is to be understood broadly in the sense of the invention insofar as it is generally neither necessary nor expedient to completely, i.e., completely divide the magnetic field vector at the location of the magnetic field sensor. H. in terms of amount and direction.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden mittels des Magnetfeldsensors z. B. (mindestens) zwei verschiedene Magnetfeldkomponenten gemessen und daraus die Richtung des Magnetfeldes bestimmt.In a preferred embodiment, by means of the magnetic field sensor z. B. (at least) two different magnetic field components are measured and the direction of the magnetic field is determined from them.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnetfeldsensor dazu ausgebildet ist, mindestens zwei Magnetfeldkomponenten des Magnetfeldes zu messen und ein von der Richtung des Magnetfeldes abhängiges Sensorsignal bereitzustellen. Letzteres Sensorsignal kann insbesondere z. B. repräsentativ für einen Winkel bzw. Drehwinkel sein, um den die Richtung des Magnetfeldes von einer durch den Magnetfeldsensor definierten Richtung abweicht bzw. verdreht ist. Derartige Magnetfeldsensoren sind in vielfältigen Ausführungen kommerziell erhältlich und können vorteilhaft bei der Erfindung eingesetzt werden.In one embodiment of the invention it is provided that the magnetic field sensor is designed to measure at least two magnetic field components of the magnetic field and to provide a sensor signal that is dependent on the direction of the magnetic field. The latter sensor signal can in particular, for. B. be representative of an angle or angle of rotation by which the direction of the magnetic field deviates from a direction defined by the magnetic field sensor or is rotated. Such magnetic field sensors are commercially available in diverse designs and can advantageously be used in the invention.
In einer Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor als magnetoresistiver Sensor ausgebildet, z. B. als ein so genannter XMR-Sensor, also z. B. als AMR („anisotropic magneto-resistive“)-Sensor, GMR („giant magneto-resistive“)-Sensor oder TMR („tunneling magneto-resistive“)-Sensor. Alternativ kann der Magnetfeldsensor z. B. als ein Hall-Sensor wie insbesondere z. B. ein 2D-Hallsensor oder 3D-Hallsensor ausgebildet sein.In one embodiment, the magnetic field sensor is designed as a magnetoresistive sensor, e.g. B. as a so-called XMR sensor, so z. B. as AMR ("anisotropic magneto-resistive") - sensor, GMR ("giant magneto-resistive") - sensor or TMR ("tunneling magneto-resistive") - sensor. Alternatively, the magnetic field sensor z. B. as a Hall sensor such as in particular z. B. a 2D Hall sensor or 3D Hall sensor.
In einer spezielleren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnetfeldsensor dazu ausgebildet ist, ein für einen Drehwinkel, um den die Richtung des Magnetfeldes von einer durch den Magnetfeldsensor und dessen Anordnung im Positionsmesssystem definierten Richtung verdreht ist, repräsentatives Sensorsignal (z. B. analoges Spannungssignal oder digitales Datensignal) bereitzustellen.In a more specific embodiment of the invention, it is provided that the magnetic field sensor is designed to transmit a sensor signal (e.g. analogue sensor signal) representative of an angle of rotation by which the direction of the magnetic field is rotated from a direction defined by the magnetic field sensor and its arrangement in the position measuring system Voltage signal or digital data signal).
Bei der so definierten Richtung kann es sich insbesondere um eine Lateralrichtung des Positionsmesssystems handeln, d. h. eine horizontale Richtung orthogonal zur Richtung der Messstrecke, wobei als der zu messende Drehwinkel insbesondere z. B. der in einer Ebene orthogonal zur Richtung der Messstrecke sich ergebende Drehwinkel vorgesehen sein kann.The direction defined in this way can in particular be a lateral direction of the position measuring system, i. H. a horizontal direction orthogonal to the direction of the measurement section, wherein as the angle of rotation to be measured in particular z. B. the angle of rotation resulting in a plane orthogonal to the direction of the measurement section can be provided.
In einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensors, der einen Drehwinkel des Magnetfeldes misst, ist dieser dazu ausgebildet, den Drehwinkel in einem Drehwinkelbereich von mindestens 10°, insbesondere mindestens 20° (z. B. +/-10°) zu messen. Andererseits ist es in vielen Fällen ausreichend, wenn der messbare Drehwinkelbereich maximal 90° (z. B. +/- 45°) beträgt.In one embodiment of a magnetic field sensor that measures an angle of rotation of the magnetic field, the latter is designed to measure the angle of rotation in an angle of rotation range of at least 10 °, in particular at least 20 ° (e.g. +/- 10 °). On the other hand, in many cases it is sufficient if the measurable angle of rotation range is a maximum of 90 ° (e.g. +/- 45 °).
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Positionsabhängigkeit eines mittels der Messung des Magnetfeldsensors bestimmten Drehwinkels des Magnetfeldes entlang der Messstrecke zumindest abschnittweise durch eine wenigstens annähernd lineare Funktion oder durch eine wenigstens annähernd sinusförmige Funktion beschreibbar ist. Bei nicht ringförmig geschlossenem Verlauf der Messtrecke ist in vielen Fällen eine wenigstens annähernd lineare Funktion bevorzugt, wohingegen bei ringförmig geschlossenem Verlauf der Messtrecke in vielen Fällen eine wenigstens annähernd sinusförmige Funktion bevorzugt ist.In one embodiment it is provided that a position dependency of a rotation angle of the magnetic field determined by means of the measurement of the magnetic field sensor along the measurement path can be described at least in sections by an at least approximately linear function or by an at least approximately sinusoidal function. If the course of the measuring section is not closed in a ring shape, an at least approximately linear function is preferred in many cases, whereas if the measuring section is closed in a ring shape, an at least approximately sinusoidal function is preferred in many cases.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Messsystem eine Einrichtung zur Kennlinien-Kompensation aufweist, die dazu ausgebildet ist, (wenigstens) ein von dem Magnetfeldsensor in Abhängigkeit von dem Magnetfeld erzeugtes Messsignal in vorbestimmter Weise zu modifizieren und somit ein modifiziertes Sensorsignal (für eine weitere Verwendung oder weitere Verarbeitung) bereitzustellen.In one embodiment of the invention it is provided that the measuring system has a device for characteristic curve compensation, which is designed to modify (at least) one measuring signal generated by the magnetic field sensor as a function of the magnetic field in a predetermined manner and thus a modified sensor signal (for further use or further processing).
In einer Ausführungsform wird die Einrichtung zur Kennlinien-Kompensation von einer Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung gebildet, die einen integralen Bestandteil des Magnetfeldsensors darstellt. Alternativ oder zusätzlich kann die Einrichtung zur Kennlinien-Kompensation oder zumindest ein Teil einer diese bildenden Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung auch baulich separat vom Magnetfeldsensor vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Positionsmesssystem eine Auswerteeinrichtung (z. B. programmgesteuerte elektronische Auswerteeinrichtung) aufweisen, an welche ein von dem Magnetfeldsensor erzeugtes Sensorsignal geliefert wird, und welche dazu ausgebildet ist, die Kennlinien-Kompensation (oder zumindest einen Teil derselben) durchzuführen, um das modifizierte Sensorsignal bereitzustellen.In one embodiment, the device for characteristic curve compensation is formed by a circuit arrangement for signal processing, which is an integral part of the magnetic field sensor. As an alternative or in addition, the device for characteristic curve compensation or at least part of a circuit arrangement for signal processing which forms it can also be provided structurally separate from the magnetic field sensor. For example, the position measuring system can have an evaluation device (e.g. program-controlled electronic evaluation device) to which a sensor signal generated by the magnetic field sensor is supplied and which is designed to carry out the characteristic curve compensation (or at least part of it) in order to achieve the modified Provide sensor signal.
In einer Ausführungsform ist die Einrichtung zur Kennlinien-Kompensation als eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung ausgebildet, welcher (wenigstens) ein vom Magnetfeldsensor in Form eines digitalen Datensignals erzeugtes Sensorsignal zugeführt wird. Alternativ kann z. B. vorgesehen sein, dass der digitalen Datenverarbeitungseinrichtung (wenigstens) ein digitales Datensignal zugeführt wird, welches durch eine Analog/Digital-Wandlung aus einem vom Magnetfeldsensor in analoger Form bereitgestellten Sensorsignal gewonnen wurde.In one embodiment, the device for characteristic curve compensation is designed as a digital signal processing device to which (at least) one sensor signal generated by the magnetic field sensor in the form of a digital data signal is fed. Alternatively, z. For example, it can be provided that (at least) one digital data signal is fed to the digital data processing device, which was obtained by analog / digital conversion from a sensor signal provided in analog form by the magnetic field sensor.
In einer Ausführungsform ist die Einrichtung zur Kennlinien-Kompensation dazu ausgebildet, eine Modifikation der Messsystemcharakteristik derart zu realisieren, dass der Zusammenhang zwischen einerseits dem Wert (analog oder digital) eines vom Magnetfeldsensor bereitgestellten Signals, wie z. B. eines für einen Drehwinkel des Magnetfeldes repräsentativen Sensorsignals, und andererseits der Position (entlang der Messstrecke) exakter durch eine relativ einfache mathematische Funktion, insbesondere eine lineare Funktion („Linearisierung“), beschreibbar ist, als dies ohne den Einsatz der Kennlinien-Kompensation der Fall wäre.In one embodiment, the device for characteristic curve compensation is designed to implement a modification of the measuring system characteristic in such a way that the relationship between on the one hand the value (analog or digital) of a signal provided by the magnetic field sensor, such as e.g. B. a sensor signal representative of an angle of rotation of the magnetic field and, on the other hand, the position (along the measurement path) can be described more precisely by a relatively simple mathematical function, in particular a linear function ("linearization"), than without the use of characteristic curve compensation would be the case.
In einer Ausführungsform ist die Einrichtung zur Kennlinien-Kompensation zur Durchführung einer so genannten „Multipoint-Kalibrierung“ ausgebildet, bei welcher das betreffende Sensorsignal in Abhängigkeit von dem davon repräsentierten Wert (z. B. Drehwinkelwert) innerhalb des betreffenden Wertebereiches (z. B. +/- 45%) unter Verwendung einer Kompensationskurve kalibriert (modifiziert) wird, wobei diese Kompensationskurve für diesen Wertebereich durch mehrerer Stützpunkte definiert ist. Beispielsweise können in der Einrichtung zur Kennlinien-Kompensation hierfür die Stützpunkte (bzw. diese repräsentierende Daten) abgespeichert sein. Im Betrieb des Positionsmesssystems kann die Einrichtung anhand der Stützpunkte oder einer damit ermittelten Kompensationskurve die entsprechende Kompensation durchführen (z. B. durch Multiplizieren des vom Sensorsignal repräsentierten Wertes mit einem sich aus der Kompensationskurve für diesen Wert ergebenden Korrekturfaktor).In one embodiment, the device for characteristic curve compensation is designed to carry out a so-called “multipoint calibration” in which the relevant sensor signal is within the relevant value range (e.g. +/- 45%) is calibrated (modified) using a compensation curve, this compensation curve being defined for this value range by several interpolation points. For example, the support points (or data representing them) can be stored in the device for characteristic curve compensation. When the position measuring system is in operation, the device can use the support points or a compensation curve determined therewith to carry out the corresponding compensation (e.g. by multiplying the value represented by the sensor signal with a correction factor resulting from the compensation curve for this value).
Wenngleich bei der Erfindung wie bereits erwähnt durch geeignete Anordnung und Formgestaltung eines oder mehrerer Flussleitstücke bereits vorteilhaft eine gewisse Einstellung der Messsystemcharakteristik realisiert werden kann, so kann ein zusätzlicher Einsatz der beschriebenen Kennlinien-Kompensation vorteilhaft diese Einstellung hinsichtlich ihrer Genauigkeit weiter verbessern und/oder weitere Freiheitsgrade der Einstellbarkeit ermöglichen.Although, as already mentioned, a certain setting of the measuring system characteristics can already advantageously be implemented in the invention by suitable arrangement and shape of one or more flux guiding pieces, an additional use of the characteristic curve compensation described can advantageously further improve this setting in terms of its accuracy and / or further degrees of freedom enable adjustability.
In einer diesbezüglich in vielen Fällen ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform ist eine Verkippung eines Verlaufes der Messstrecke bezüglich eines (horizontalen) Verlaufes des Permanentmagneten und/oder eines oder mehrerer Flussleitstücke vorgesehen, derart, dass sich die (vertikalen) Positionen der beiden Enden der Messstrecke nennenswert voneinander unterscheiden, so dass die Messstrecke zwischen den beiden Enden geneigt (bezüglich des Verlaufes des Permanentmagneten bzw. des Flussleitstücks, bzw. bezüglich der Horizontalen) von einem Ende zum anderen Ende verläuft. Insbesondere kann hierbei ein über die Länge der Messstrecke betrachtet einheitlicher Neigungswinkel des geneigten Verlaufes der Messstrecke bezüglich des Verlaufes des Permanentmagneten und/oder eines Flussleitstücks vorgesehen sein.In an embodiment that is also advantageous in this regard, a tilting of a course of the measuring section with respect to a (horizontal) course of the permanent magnet and / or one or more flux guide pieces is provided in such a way that the (vertical) positions of the two ends of the measuring section differ significantly from one another , so that the measuring section between the two ends is inclined (with respect to the course of the permanent magnet or the flux guide, or with respect to the horizontal) from one end to the other end. In particular, a uniform angle of inclination of the inclined course of the measuring section with respect to the course of the permanent magnet and / or a flux guide piece, viewed over the length of the measuring section, can be provided.
Äquivalent dazu könnte man auch von einer Verkippung der aus Permanentmagnet und Flussleitstück(en) gebildeten Anordnung bezüglich eines (horizontalen) Verlaufes der Messstrecke sprechen. Wesentlich ist für diese Ausführungsform die relative Verkippung der genannten Komponenten zueinander.Equivalent to this, one could also speak of a tilting of the arrangement formed from the permanent magnet and flux guide piece (s) with respect to a (horizontal) course of the measuring section. What is essential for this embodiment is the tilting of the components mentioned relative to one another.
Die Verkippung führt zu einer entsprechenden Modifikation der Messsystemcharakteristik. Als vorteilhaft hat sich insbesondere herausgestellt, dass mit der definierten Verkippung der Magnetfeldsensor entlang der Messstrecke in einem homogeneren Feld geführt werden kann und somit eine Verringerung einer Empfindlichkeit der Messsystemcharakteristik bzw. der Messgenauigkeit gegenüber mechanischen Toleranzen (z. B. Spiel in horizontaler und/oder vertikaler Richtung, sowie z. B. Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen) erzielt werden kann.The tilting leads to a corresponding modification of the measuring system characteristics. It has been shown to be particularly advantageous that with the defined tilting the magnetic field sensor can be guided along the measuring section in a more homogeneous field and thus a reduction in the sensitivity of the measuring system characteristics or the measuring accuracy to mechanical tolerances (e.g. play in horizontal and / or vertical direction, as well as e.g. manufacturing and / or assembly tolerances) can be achieved.
In einer Ausführungsform beträgt der oben erwähnte Neigungswinkel (bzw. im Falle eines nicht einheitlichen Neigungswinkels dessen über den Verlauf der Messstrecke gemittelter Wert) mindestens 1°, insbesondere mindestens 2°. Andererseits ist in vielen Fällen ein Wert von maximal 10°, insbesondere maximal 5° zweckmäßig.In one embodiment, the above-mentioned angle of inclination (or, in the case of a non-uniform angle of inclination, its value averaged over the course of the measurement section) is at least 1 °, in particular at least 2 °. On the other hand, a value of a maximum of 10 °, in particular a maximum of 5 °, is expedient in many cases.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Verwendung eines Positionsmesssystems der hier beschriebenen Art als eine Linearpositionsmesseinrichtung oder eine Winkelpositionsmesseinrichtung an einer linear verstellbaren Komponente bzw. drehverstellbaren Komponente eines Fahrzeuges vorgeschlagen. Als drehverstellbaren Komponente kommt z. B. eine Turboladerklappe oder eine Ventilklappe eines Kraftfahrzeuges in Betracht.According to a further aspect of the invention, the use of a position measuring system of the type described here as a linear position measuring device or an angular position measuring device on a linearly adjustable component or rotationally adjustable component of a vehicle is proposed. As a rotatable component comes z. B. a turbocharger flap or a valve flap of a motor vehicle into consideration.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
-
1 ein Positionsmesssystem gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels, -
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer idealen und einer realen Positionsabhängigkeit des Magnetfeldes am Beispiel des in1 gezeigten Positionsmesssystems, -
3 einen bei einem Positionsmesssystem einsetzbaren Magnetfeldsensor, -
4 ein Positionsmesssystem gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, -
5 eine Darstellung zur Veranschaulichung des Magnetfeldes für das in4 gezeigte Positionsmesssystem, -
6 ein Positionsmesssystem gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, -
7 ein Positionsmesssystem gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, -
8 ein Positionsmesssystem gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, -
9 eine Darstellung zur Veranschaulichung einer Kennlinien-Kompensation bei einem Positionsmesssystem, -
10 ein Blockschaltbild eines Magnetfeldsensors eines Positionsmesssystems gemäß eines Ausführungsbeispiels, -
11 ein Positionsmesssystem gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, in einer Draufsicht, -
12 das Positionsmesssystem von11 in mehreren Querschnittsansichten, -
13 ein Positionsmesssystem gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, in einer Draufsicht, -
14 das Positionsmesssystem von11 in mehreren Querschnittsansichten, -
15 ein Positionsmesssystem gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, in einer Draufsicht, und -
16 und17 beispielhafte Verläufe von mittels Magnetfeldsensoren bei dem Positionsmesssystem von15 bestimmten Magnetfeldwinkeln.
-
1 a position measuring system according to a first embodiment, -
2 a diagram to illustrate an ideal and a real position dependency of the magnetic field using the example of the in1 position measuring system shown, -
3 a magnetic field sensor that can be used in a position measuring system, -
4th a position measuring system according to a further embodiment, -
5 a representation to illustrate the magnetic field for the in4th shown position measuring system, -
6th a position measuring system according to a further embodiment, -
7th a position measuring system according to a further embodiment, -
8th a position measuring system according to a further embodiment, -
9 a representation to illustrate a characteristic curve compensation in a position measuring system, -
10 a block diagram of a magnetic field sensor of a position measuring system according to an embodiment, -
11 a position measuring system according to a further embodiment, in a plan view, -
12th the position measuring system from11 in several cross-sectional views, -
13th a position measuring system according to a further embodiment, in a plan view, -
14th the position measuring system from11 in several cross-sectional views, -
15th a position measuring system according to a further embodiment, in a plan view, and -
16 and17th exemplary courses of by means of magnetic field sensors in the position measuring system of15th certain magnetic field angles.
Mit diesem Positionsmesssystem
Im dargestellten Beispiel ist der Permanentmagnet
Die seitlich neben dem Permanentmagneten
Das Positionsmesssystem
Im dargestellten Beispiel ist der Permanentmagnet
Das Positionsmesssystem
Die Flussleitstücke
Die (von oben oder unten betrachteten) Konturen der beiden Flussleitstücke
Vorteilhaft ist bei dieser Ausführungsform neben einer durch die Flussleitstücke
Mit dem Einsatz der ungleichmäßig formgestalteten Flussleitstücke
Die Richtung des Magnetfeldes wird in
Wenn der Magnetfeldsensor
Die durchgezogene Linie in
Durch eine entsprechend gewählte Anordnung und Formgestaltung eines oder mehrerer Flussleitstücke (ortsfest relativ zum Permanentmagneten, und insbesondere z. B. damit verbunden oder daran anliegend) kann bei der Erfindung die Positionsabhängigkeit des Magnetfeldes vorteilhaft beeinflusst werden, beispielsweise um die vorstehend erläuterte ideale Abhängigkeit zu erzielen oder zumindest anzunähern.With an appropriately selected arrangement and shape of one or more flux guide pieces (stationary relative to the permanent magnet, and in particular e.g. connected to or adjacent to it), the position dependency of the magnetic field can be advantageously influenced in the invention, for example in order to achieve the ideal dependency explained above or at least approximate.
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.In the following description of further exemplary embodiments, the same reference numbers are used for components with the same effect, each supplemented by a small letter to distinguish the embodiment. Essentially, only the differences from the exemplary embodiment (s) already described are discussed here, and for the rest herewith express reference is made to the description of previous exemplary embodiments.
Das in
Der Permanentmagnet
Das Positionsmesssystem
Jedoch ist bei dem Positionsmesssystem
Im dargestellten Beispiel besitzen die Flussleitstücke
Abweichend davon könnte die Anordnung und/oder die Formgestaltung der Flussleitstücke
Auch im Falle einer derartigen Modifikation ist es zumeist vorteilhaft, wenn die Konturen der beiden Flussleitstücke bezogen auf eine in einem mittleren Bereich der Messstrecke
Ferner veranschaulicht
Das Positionsmesssystem
Abgesehen von der gekrümmten, hier kreisbogenförmigen Formgestaltung des Positionsmesssystems
Auch das mit Bezug auf
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Permanentmagnet
Im dargestellten Beispiel verläuft die Seite des Vierecks in einem Winkel bezüglich der Vertikalen, der im Verlauf der Länge des Permanentmagneten streng monoton und insbesondere z. B. proportional zur Position im Verlauf dieser Länge variiert.In the example shown, the side of the square runs at an angle with respect to the vertical which is strictly monotonous and in particular z. B. varies proportionally to the position in the course of this length.
Im dargestellten Beispiel variiert der Winkel bezüglich der Vertikalen insgesamt (über die volle Länge des Permanentmagneten
Der Permanentmagnet
In vielen Fällen ist bevorzugt, dass der Winkel, um den sich die Magnetisierung im Verlauf des Permanentmagneten
Das Positionsmesssystem
Das mit Bezug auf
Falls ein ringförmig (z. B. kreisringförmig) geschlossener Verlauf der Messstrecke vorgesehen ist, so bezeichnen 0% und 100% dieselbe Stelle auf der Messstrecke, und pos=0% kann z. B. als Winkelposition von 0° und pos=100% als Winkelposition von 360° interpretiert werden.If an annular (e.g. circular) closed course of the measuring section is provided, 0% and 100% designate the same point on the measuring section, and pos = 0% can e.g. B. can be interpreted as an angular position of 0 ° and pos = 100% as an angular position of 360 °.
Der mittels der Kennlinien-Kompensation zu beseitigende oder zumindest zu reduzierende relative Fehler „err“ kann im Prinzip beliebig definiert werden als das Verhältnis, zwischen dem vom Sensorsignal repräsentierten „realen“ Wert (z. B. digitaler Wert) und einem (beliebig) vorgegebenen „idealen“ Wert. In der Praxis ist als idealer Wert zumeist ein linear mit der Position variierender Wert wünschenswert (Linearisierung). Abweichend davon könnte im konkreten Anwendungsfall jedoch auch eine andere mathematische Funktion zur Beschreibung einer „idealen“ Messsystemcharakteristik wünschenswert sein.The relative error "err" to be eliminated or at least reduced by means of the characteristic curve compensation can in principle be freely defined as the ratio between the "real" value represented by the sensor signal (e.g. digital value) and a (arbitrarily) specified "Ideal" value. In practice, a value that varies linearly with the position is usually desirable as an ideal value (linearization). In contrast to this, however, a different mathematical function for describing an “ideal” measuring system characteristic could also be desirable in the specific application.
Der relative Fehler „err“ bzw. dessen positionsabhängiger Verlauf „err(pos)‟ kann z. B. in empirischer Weise ermittelt werden. Sodann kann eine z. B. digitale Repräsentation dieses Verlaufes in einer Einrichtung zur Kennlinien-Kompensation, z. B. einer (insbesondere z. B. programmgesteuerten) digitalen Signalverarbeitungseinrichtung abgespeichert werden, insbesondere als eine durch mehrere Stützpunkte definierte Fehlerkurve (vgl.
Im Betrieb des Positionsmesssystems kann dann jeder vom Magnetfeldsensor bei dessen Magnetfeldmessung erzeugte Messwert unter Verwendung der vorab gespeicherten Stützpunkte bzw. einer daraus sich ergebenden Kompensationskurve so modifiziert (korrigiert) werden, dass der modifizierte Wert exakt(er) dem „idealen“ Wert entspricht. Hierzu kann z. B. jeder vom ursprünglichen Sensorsignal repräsentierte Wert mit einem aus einer Kompensationskurve für diesen Wert sich ergebenden Korrekturfaktor multipliziert werden.When the position measuring system is in operation, each measured value generated by the magnetic field sensor during its magnetic field measurement can be modified (corrected) using the previously stored support points or a compensation curve resulting therefrom so that the modified value corresponds exactly (more) to the "ideal" value. For this purpose, z. B. each value represented by the original sensor signal can be multiplied by a correction factor resulting from a compensation curve for this value.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kennlinien-Kompensation ganz oder zumindest teilweise durch den Magnetfeldsensor durchgeführt wird, der in diesem Fall mit entsprechender Elektronik, insbesondere z. B. mit digitaler Signalverarbeitungselektronik, auszustatten ist. Alternativ kann die Kennlinien-Kompensation jedoch auch in einer separat vom Magnetfeldsensor eingesetzten (z. B. programmgesteuerten elektronischen) Auswerteeinrichtung erfolgen, welcher (wenigstens) ein vom Magnetfeldsensor erzeugtes (und z. B. für einen Winkel der Magnetfeldrichtung repräsentatives) Sensorsignal zugeführt wird und welche daraus das entsprechend modifizierte Sensorsignal erzeugt und gegebenenfalls z. B. weiter auswertet (abhängig vom Zweck der Positionsm essung).In one embodiment it is provided that the characteristic curve compensation is carried out entirely or at least partially by the magnetic field sensor, which in this case is equipped with appropriate electronics, in particular z. B. is equipped with digital signal processing electronics. Alternatively, however, the characteristic curve compensation can also take place in an evaluation device (e.g. program-controlled electronic) used separately from the magnetic field sensor, which (at least) one of the Magnetic field sensor generated (and z. B. for an angle of the magnetic field direction representative) sensor signal is supplied and which generates the correspondingly modified sensor signal therefrom and optionally z. B. further evaluates (depending on the purpose of the position measurement).
Der Magnetfeldsensor
Die Signale x und y werden im dargestellten Beispiel jeweils mittels eines von zwei Verstärkern
Die digitalen Signale werden einer Winkelberechnungseinheit
Der von der Winkelberechnungseinheit
Die Winkelberechnungseinheit
Zusammenfassend ist der in
Die
Eine weitere vorteilhafte Gemeinsamkeit dieser Ausführungsbeispiele besteht darin, dass sowohl ein unteres (erstes), unterhalb der Messstrecke sich erstreckendes Flussleitstück
Die
Eine zur Positionsmessung erforderliche Abhängigkeit der Richtung des Magnetfeldes des Permanentmagneten
Die
Im dargestellten Beispiel variiert eine Magnetisierungsrichtung im Verlauf eines vollen Umfangs (360°) z. B. wenigstens annähernd sinusförmig in einem Bereich von +/- 15° (Abweichung von der Vertikalen). Wie aus den
Die
Die zur Positionsmessung erforderliche Abhängigkeit der Richtung des Magnetfeldes des Permanentmagneten
Die
Gemäß einer Abwandlung des in den
Die
Vorteilhaft werden bei dem in
Die
Wenn der Magnetfeldsensor
Die reale Positionsabhängigkeit der Winkel „ang1“ und „ang2“ kann durch eine entsprechend angepasst gewählte Formgestaltung der Flussleitstücke und/oder durch Einsatz einer Kennlinien-Kompensation (wie oben bereits beschrieben) so modifiziert werden, dass die Positionsabhängigkeit exakter durch eine gewünschte mathematische Funktion, hier z. B. eine Sinus- oder Kosinus-Funktion, beschrieben wird, als dies ohne Kennlinien-Kompensation der Fall wäre.The real position dependency of the angles "ang1" and "ang2" can be modified by a suitably adapted shape of the flux guiding pieces and / or by using a characteristic curve compensation (as already described above) so that the position dependency is more exact by a desired mathematical function, here z. B. a sine or cosine function is described than would be the case without characteristic curve compensation.
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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