DE102020128013A1 - Coil arrangement for a sensor device for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device - Google Patents

Coil arrangement for a sensor device for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device Download PDF

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Abstract

Es ist eine Spulenanordnung (10) für eine Sensorvorrichtung (40) zum Ermitteln einer Position (P) eines Objekts (O) entlang einer sensitiven Achse (S) der Sensorvorrichtung (40) beschrieben, wobei die Spulenanordnung (10) eine flache Anregungsspule (12) und zumindest eine Empfangsspule (14) aufweist, deren Windungen (18) um Windungen (16) der Anregungsspule (12) herum, im Wesentlichen senkrecht zur den Windungen (16) der Anregungsspule (12) und symmetrisch bezüglich einer Mittellinie (M) der Anregungsspule (12) angeordnet sind, die entlang einer sensitiven Achse (S) der Sensorvorrichtung (10) verläuft.A coil arrangement (10) for a sensor device (40) for determining a position (P) of an object (O) along a sensitive axis (S) of the sensor device (40) is described, the coil arrangement (10) having a flat excitation coil (12 ) and at least one receiving coil (14), the windings (18) of which are arranged around windings (16) of the excitation coil (12), essentially perpendicular to the windings (16) of the excitation coil (12) and symmetrically with respect to a center line (M) of the Excitation coil (12) are arranged, which runs along a sensitive axis (S) of the sensor device (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung für eine Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position eines Objekts entlang einer sensitiven Achse der Sensorvorrichtung, eine solche Sensorvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Sensorvorrichtung.The invention relates to a coil arrangement for a sensor device for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device, such a sensor device and a method for operating the sensor device.

Stand der TechnikState of the art

Aus der Praxis ist es bekannt, dass bei induktiven Positionssensoren ein magnetisches Wechselfeld einer Anregungsspule derart auf ein elektrisch leitfähiges und/oder magnetisierbares Objekt wirkt, das in dem Objekt elektrische Wirbelströme und eine wechselnde magnetische Polarisierung erzeugt werden, die ein zeitlich sich veränderndes Magnetfeld des Objekts erzeugen. Dieses Magnetfeld wirkt wiederum auf eine oder mehrere Empfangsspulen des Positionssensors und induziert in diesen eine Spannung. Aus der bzw. den induzierten Spannung kann die Position des Objekts relativ zur Sensorvorrichtung bestimmt werden.It is known from practice that in the case of inductive position sensors, an alternating magnetic field from an excitation coil acts on an electrically conductive and/or magnetizable object in such a way that electrical eddy currents and alternating magnetic polarization are generated in the object, resulting in a magnetic field of the object that changes over time produce. This magnetic field in turn acts on one or more receiving coils of the position sensor and induces a voltage in them. The position of the object relative to the sensor device can be determined from the induced voltage or voltages.

Die induktive Positionssensorvorrichtung mit der Produktbezeichnung BIP ED2-B133-03-S75 der Balluff GmbH, Neuhausen a.d.F, ist als serieller Sensor mit einem in Leiterplatten-Technologie gefertigten planaren Spulensystem ausgebildet. Das Spulensystem weist eine Anregungsspule und mehrere strukturierte planare Empfangsspulen auf. Um die Objektposition bezüglich der Sensorvorrichtung zu bestimmen, wird die auf die Spulenebene wirkende senkrechte Komponente des Magnetfelds des Objekts ausgenutzt. Die Amplitude und die Phase der induzierten Spannung in jeder der Empfangsspulen ist dabei von der Objektposition abhängig. Der Messbereich reicht bis etwa 130 Millimeter (mm).The inductive position sensor device with the product designation BIP ED2-B133-03-S75 from Balluff GmbH, Neuhausen a.d.F., is designed as a serial sensor with a planar coil system manufactured using printed circuit board technology. The coil system has an excitation coil and a number of structured planar receiving coils. In order to determine the object's position with respect to the sensor device, the perpendicular component of the object's magnetic field acting on the coil plane is used. The amplitude and the phase of the induced voltage in each of the receiving coils is dependent on the object position. The measuring range is up to about 130 millimeters (mm).

Positionssensorvorrichtungen vom Typ z.B. der Produktbezeichnung BIP CD2-B014-01-EP02 und BIP LD2-T040-02-S4 der Balluff GmbH, Neuhausen a.d.F., sind mit Spulen realisiert, die in einer Reihe auf einen Ferritkern gewickelt sind. Jede Spule wird nacheinanderfolgend durch eine gemeinsame Oszillatorschaltung in Schwingung gebracht, und aus erfassten Schwingungsamplituden wird eine relative Objektposition bestimmt. Ein Meßbereich beträgt etwa 14 bis 40 mm und ist abhängig vom Sensortyp.Position sensor devices of the type, e.g. the product designations BIP CD2-B014-01-EP02 and BIP LD2-T040-02-S4 from Balluff GmbH, Neuhausen a.d.F., are implemented with coils that are wound in a row on a ferrite core. Each coil is successively oscillated by a common oscillator circuit, and a relative object position is determined from detected amplitudes of oscillation. A measuring range is about 14 to 40 mm and depends on the sensor type.

Die auf die oben beschriebenen Technologien basierenden Positionssensorvorrichtungen weisen an beiden Endbereichen entlang der Empfangsspulen gesehen eine Blindzone auf, was zu einem begrenzten Messbereich-zu-Sensorgröße-Verhältnis führt. Eine Miniaturisierung solcher Arten von Sensorvorrichtungen ist deshalb schwer realisierbar.The position sensor devices based on the technologies described above have a blind zone at both end regions seen along the receiving coils, resulting in a limited measurement range-to-sensor size ratio. It is therefore difficult to miniaturize such types of sensor devices.

Ferner kann es schwierig sein, solche Arten von Sensorvorrichtungen bündig in eine Umgebung einzubauen, da bei dem Einbau der Sensorvorrichtung in die Umgebung eine metallfreie Zone um die Sensorvorrichtung herum bereitgestellt werden muss.Furthermore, it can be difficult to install such types of sensor devices flush in an environment, since a metal-free zone around the sensor device must be provided when installing the sensor device in the environment.

Es besteht folglich ein Bedürfnis nach einem neuen Konzept und einer neuen Betriebsweise einer Sensorvorrichtung, die eine kleine Größe und gleichzeitig einen großen Messbereich, beispielsweise eine Größe von etwa 15 mm Länge und etwa 10 mm Breite bei einem Meßbereich von etwa 10 mm, aufweist.There is consequently a need for a new concept and operation of a sensor device which is small in size and at the same time has a large measuring range, for example a size of about 15 mm long and about 10 mm wide with a measuring range of about 10 mm.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kleine Sensorvorrichtung bei gleichzeitig großem Meßbereich, beispielsweise eine Größe von etwa 15 mm Länge und etwa 10 mm Breite bei einem Meßbereich von etwa 10 mm, bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide a small sensor device with a large measuring range at the same time, for example a size of about 15 mm in length and about 10 mm in width with a measuring range of about 10 mm.

Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Spulenanordnung für eine Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position eines Objekts entlang einer sensitiven Achse der Sensorvorrichtung vorgesehen, wobei die Spulenanordnung eine flache Anregungsspule und zumindest eine Empfangsspule aufweist, deren Windungen um Windungen der Anregungsspule herum, im Wesentlichen senkrecht zu den Windungen der Anregungsspule und symmetrisch bezüglich einer Mittellinie der Anregungsspule angeordnet sind, die entlang der sensitiven Achse der Sensorvorrichtung verläuft.According to a first aspect, a coil arrangement is provided for a sensor device for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device, the coil arrangement having a flat excitation coil and at least one receiving coil, the turns of which are arranged around turns of the excitation coil, essentially perpendicular to the turns of the excitation coil and are arranged symmetrically with respect to a center line of the excitation coil which runs along the sensitive axis of the sensor device.

Die Spulenanordnung kann also eine Spulenebene aufweisen, die durch die flache Anregungsspule definiert sein kann. Die Mittellinie der Anregungsspule kann in der Spulenebene verlaufen und sich entlang der sensitiven Achse erstrecken. Die zumindest eine Empfangsspule kann die Anregungsspule umgeben, da die Windungen der zumindest einen Empfangsspule um die Windungen der Anregungsspule herum angeordnet sein können. Dabei können die Windungen der zumindest einen Empfangsspule um die Windungen der Anregungsspule herum angeordnet sein und sich mechanisch auf diesen abstützen. Alternativ können beide Spulen voneinander (beispielswiese geringfügig) beabstandet angeordnet sein, so dass die Anregungsspule die zumindest eine Empfangsspule mechanisch nicht trägt, sondern lediglich eine Lage eines Spulenkörpers der zumindest einen Empfangsspule bezüglich der Anregungsspule vorgeben kann. Ferner können die Windungen der zumindest einen Empfangsspule im Wesentlichen senkrecht zu den Windungen der Anregungsspule und damit im Wesentlichen senkrecht zur Mittellinie der Anregungsspule verlaufen. Die zumindest eine Empfangsspule kann symmetrisch um die Mittellinie der Anregungsspule herum angeordnet sein, so dass die Windungen der zumindest einen Empfangsspule in Draufsicht auf die zumindest eine Empfangsspule gesehen in der Spulenebene beidseitig der Mittellinie sich gleich weit von der Mittellinie aus erstrecken bzw. maximal entfernt sein können.The coil arrangement can therefore have a coil plane which can be defined by the flat excitation coil. The center line of the excitation coil can run in the plane of the coil and extend along the sensitive axis. The at least one receiving coil can surround the excitation coil, since the turns of the at least one receiving coil can be arranged around the turns of the excitation coil. The windings of the at least one receiving coil can be arranged around the windings of the excitation coil and can be supported mechanically on them. Alternatively, the two coils can be arranged at a distance from one another (e.g. slightly) so that the excitation coil does not support the at least one receiving coil mechanically, but can only specify a position of a coil body of the at least one receiving coil with respect to the excitation coil. Furthermore, the windings of the at least one receiving coil can run essentially perpendicular to the windings of the excitation coil and thus essentially perpendicular to the center line of the excitation coil. The at least one Emp The capture coil can be arranged symmetrically around the center line of the excitation coil, so that the windings of the at least one receiving coil can extend the same distance from the center line on both sides of the center line or can be as far apart as possible when viewed from above on the at least one receiving coil.

In einem Betrieb der Sensorvorrichtung kann die Spulenanordnung in der Nähe eines elektrisch leitfähigen und/oder magnetisierbaren Objekts derart angeordnet sein, dass die Mittellinie der Anregungsspule und damit die sensitive Achse parallel mit der angenommenen Bewegungslinie des Objekts ausgerichtet sein kann. Die Anregungsspule kann mit Wechselstrom, mit einem oszillierenden Strom (beispielsweise einem sinusförmigen Strom), Strompulsen oder einem Strom mit einem anderen zeitlichen Verlauf angeregt werden. Aufgrund dieser Anregung der Anregungsspule kann die Anregungsspule ein Magnetfeld ausbilden, das wiederum Wirbelströme und/oder eine magnetische Polarisation in dem Objekt induzieren kann. Das Objekt kann folglich ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld ausbilden, das auch in die Richtung der Mittellinie der Anregungsspule und damit der sensitiven Achse eine nichtverschwindende Komponente aufweisen kann. Da die Windungen der zumindest einen Empfangsspule im Wesentlichen senkrecht zu dieser Richtung angeordnet sein können, kann die in der Empfangsspule induzierbare Spannung gemäß der Längskomponente der Objektfeldlinien in der Empfangsspule auftreten.When the sensor device is in operation, the coil arrangement can be arranged in the vicinity of an electrically conductive and/or magnetizable object in such a way that the center line of the excitation coil and thus the sensitive axis can be aligned parallel to the assumed line of movement of the object. The excitation coil can be excited with alternating current, with an oscillating current (for example a sinusoidal current), current pulses or a current with a different course over time. Due to this excitation of the excitation coil, the excitation coil can form a magnetic field, which in turn can induce eddy currents and/or magnetic polarization in the object. The object can consequently form a magnetic field that changes over time, which can also have a non-vanishing component in the direction of the center line of the excitation coil and thus the sensitive axis. Since the windings of the at least one receiving coil can be arranged essentially perpendicular to this direction, the voltage that can be induced in the receiving coil can occur in the receiving coil according to the longitudinal component of the object field lines.

Vorzugsweise kann die Anregungsspule im Betrieb mit einem harmonisch oszillierenden sinusförmigen Strom angeregt werden. Das Magnetfeld, das um das Objekt induziert werden kann, kann ähnlich einem magnetischen Dipol sein, der mit der gleichen Frequenz harmonisch oszillieren und eine Phase haben kann, die hauptsächlich durch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Objekts bestimmt sein können. Bewegt sich das Objekt für den Fall genaue einer Empfangsspule in einem im Wesentlich konstantem Abstand von der Spulenebene bzw. von einer Stirnfläche eines die Spulenanordnung aufnehmenden Gehäuses der Sensorvorrichtung, die zum Objekt weist, in einen Überdeckungsbereich der Empfangsspule hinein, kann die sinusförmige Amplitude der induzierten Spannung in dieser Empfangsspule zuerst ans teigen und dann, wenn sich das Objekt zu einem Mittelpunkt der Empfangsspule hin bewegt, auf null abfallen. Bei einer Weiterbewegung des Objekts über einen Mittelpunkt der Empfangsspule hinaus kann die Amplitude der Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen oder entgegengesetzter Phase erneut ansteigen. Wenn sich das Objekt weiter weg von der Empfangsspule bewegt, kann die induzierte Spannung wieder abfallen. Durch eine Auswertung der induzierten Spannung zwischen den beiden Extremwerten ihrer Amplitude kann die Position des Objekts relativ zur Spulenanordnung und somit zur Sensorvorrichtung, die die Spulenanordnung aufweisen kann, bestimmt werden. Im Falle, dass eine Länge des die Empfangsspule umfassenden Teilbereichs der Anregungsspule im Verhältnis mit einem Abstand zwischen der beiden Extremwerten relativ klein sein, nennt man den zuvor beschriebene antisymmetrischen Verlauf der vorzeichenbehafteten Amplitude die „Einzelkennlinie“ der schmalen Empfangsspule. Sind mehr als eine Empfangsspule vorhanden, muss der Abstand zwischen dem Objekt und der Stirnfläche der Sensorvorrichtung entlang der Bewegungslinie des Objekts nicht notwendigerweise konstant sein, sondern der Abstand kann variieren.The excitation coil can preferably be excited during operation with a harmonically oscillating sinusoidal current. The magnetic field that can be induced around the object can be similar to a magnetic dipole, which can oscillate harmonically at the same frequency and have a phase that can be determined primarily by the electrical and magnetic properties of the object. If, in the case of a receiving coil, the object moves at a substantially constant distance from the coil plane or from an end face of a housing of the sensor device accommodating the coil arrangement, which faces the object, into an overlapping area of the receiving coil, the sinusoidal amplitude of the induced Voltage in this receiving coil will first increase and then fall to zero as the object moves towards a center point of the receiving coil. If the object moves further beyond a center point of the receiving coil, the amplitude of the voltage with the opposite sign or phase can increase again. If the object moves further away from the receiving coil, the induced voltage can drop again. By evaluating the induced voltage between the two extreme values of its amplitude, the position of the object relative to the coil arrangement and thus to the sensor device that the coil arrangement can have can be determined. If the length of the sub-area of the excitation coil that includes the receiving coil is relatively small in relation to the distance between the two extreme values, the previously described anti-symmetrical course of the signed amplitude is called the "single characteristic" of the narrow receiving coil. If there is more than one receiving coil, the distance between the object and the front face of the sensor device does not necessarily have to be constant along the line of movement of the object, but the distance can vary.

Eine axiale oder longitudinale Position des Objekts entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen bezüglich der Sensorvorrichtung kann mittels einer Sensorelektronik der Sensorvorrichtung bestimmt werden, indem beispielsweise Techniken gemäß EP 3 108 211 B1 oder CN 106104210 B , bei denen eine Bestimmung der Position aus der bzw. den vorzeichenrichtig demodulierten induzierten Spannungen in der bzw. den Empfangsspulen mittels Multi-Phasen-Quadratur-Demodulation durchgeführt wird, und/oder Techniken gemäß US 2017/344878 A1 angewendet werden, bei denen eine gemeinsame Auswertung zumindest zweier Signale mittels eines künstlichen neuronalen Netzes durchgeführt wird.An axial or longitudinal position of the object viewed along the center line of the excitation coil with respect to the sensor device can be determined by means of sensor electronics of the sensor device, for example by using techniques according to FIG EP 3 108 211 B1 or CN 106104210B , in which a determination of the position from the induced voltage(s) demodulated with the correct sign is performed in the receiving coil(s) by means of multi-phase quadrature demodulation, and/or techniques according to FIG U.S. 2017/344878 A1 be applied in which a joint evaluation of at least two signals is carried out by means of an artificial neural network.

Durch die simultane kontinuierliche Demodulation der in der Empfangsspule induzierten Spannung bzw. den in der Empfangsspulen induzierten Spannungen kann die Sensorvorrichtung eine geringe Ansprechzeit aufweisen, die auch zur Ermittlung einer Position eines rotierenden Objekts (beispielsweise einer Spindel) mit einer Rotationsgeschwindigkeit von beispielsweise über 40 000 Umdrehungen pro Minute (beispielsweise einer rotierende rotierenden Spindel) geeignet sein kann.Due to the simultaneous continuous demodulation of the voltage induced in the receiving coil or the voltages induced in the receiving coil, the sensor device can have a short response time, which is also used to determine a position of a rotating object (e.g. a spindle) with a rotational speed of, for example, more than 40,000 revolutions per minute (e.g. a rotating rotating spindle) may be appropriate.

Ferner kann die Sensorvorrichtung, die insbesondere eine Abschirmung aufweisen kann, in eine metallische Umgebung, beispielsweise eine Maschinenwand, mit einer geringen oder keiner metallfreien Zone bündig einbaubar sein, während die Sensorvorrichtung besonders klein ausgebildet sein kann.Furthermore, the sensor device, which can have a shield in particular, can be installed flush in a metallic environment, for example a machine wall, with little or no metal-free zone, while the sensor device can be designed to be particularly small.

Die Spulenanordnung mit einer Anregungsspule und einer oder mehreren Empfangsspulen kann auch in geringer Größe und günstigen Messbereich-zu-Sensorgröße-Verhältnis realisierbar sein. Insbesondere kann es möglich sein, eine Sensorvorrichtung mit einer Größe von etwa 15 mm Länge und etwa 10 mm Breite bei einem Meßbereich von etwa 10 mm zu realisieren.The coil arrangement with an excitation coil and one or more receiving coils can also be realized in a small size and with a favorable measurement range-to-sensor size ratio. In particular, it may be possible to use a sensor device with a size of about 15 mm in length and about 10 mm wide with a measuring range of about 10 mm.

In einer Ausführungsform kann die Anregungsspule einen länglichen Querschnitt, insbesondere einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, aufweisen und die Mittellinie kann entlang einer Längserstreckung der Anregungsspule verlaufen. Mit anderen Worten können die Windungen der Anregungsspule entlang ihrer Längserstreckung verlaufen. Dabei kann die Bewegungslinie, entlang der sich das Objekt bewegen kann, entlang der Längsrichtung und parallel zur Mittellinie der Anregungsspule verlaufen.In one embodiment, the excitation coil can have an elongated cross section, in particular a substantially rectangular cross section, and the center line can run along a longitudinal extension of the excitation coil. In other words, the turns of the excitation coil can run along its length. The line of motion along which the object can move can run along the longitudinal direction and parallel to the center line of the excitation coil.

In einer Ausführungsform kann die Anregungsspule entlang ihrer Längserstreckung gesehen (insbesondere halbkreisförmig oder mit einer anderen monotonen Krümmungscharakteristik) gebogen oder gekrümmt ausgebildet sein. Die Bewegungslinie bzw. der Trajektorie des Objekts kann dann ebenfalls gebogen sein, um der gebogenen Mittellinie der Anregungsspule zu folgen. In einer solchen Ausführungsform kann beispielsweise ein Winkelversatz eines drehbaren Objekts erfassbar sein.In one embodiment, the excitation coil can be bent or curved when viewed along its longitudinal extension (in particular semicircular or with another monotonous curvature characteristic). The line of movement or the trajectory of the object can then also be curved in order to follow the curved center line of the excitation coil. In such an embodiment, for example, an angular offset of a rotatable object can be detected.

Folglich kann die Spulenanordnung gemäß den beiden zuvor genannten Ausführungsformen und somit die Sensorvorrichtung für eine Vielzahl von unterschiedlichen Objektanordnungen verwendbar sein.Consequently, the coil arrangement according to the two aforementioned embodiments and thus the sensor device can be used for a large number of different object arrangements.

In einer Ausführungsform kann eine Windungsdichte der zumindest einen Empfangsspule entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen in zumindest einem Teilbereich der zumindest einen Empfangsspule oder in der gesamten zumindest einen Empfangsspule konstant sein. Dadurch kann die Spulenanordnung konstruktiv sehr einfach ausgebildet sein. Die Länge des Teilbereichs bzw. die Länge der Empfangsspule sollte dabei entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen insbesondere kleiner als Abstand beider Extremwerte der Einzelkennlinie der Empfangsspule sein, so dass eine exakte Positionsbestimmung ermöglicht sein kann.In one embodiment, a winding density of the at least one receiving coil viewed along the center line of the excitation coil can be constant in at least a partial area of the at least one receiving coil or in the entire at least one receiving coil. As a result, the coil arrangement can be of very simple construction. The length of the sub-area or the length of the receiving coil, seen along the center line of the excitation coil, should in particular be smaller than the distance between the two extreme values of the individual characteristic curve of the receiving coil, so that an exact position determination can be made possible.

In einer Ausführungsform kann die Windungsdichte der zumindest einen Empfangsspule entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen variieren bzw. sich ändern. Die Variation der Windungsdichte entlang der Mittellinie kann beispielsweise einer periodischen ortsabhängigen Funktion (z.B. einer binären Funktion) folgen.In one embodiment, the winding density of the at least one receiving coil can vary or change as seen along the center line of the excitation coil. The variation of the winding density along the centerline can, for example, follow a periodic, position-dependent function (e.g. a binary function).

In einer Ausführungsform kann die Windungsdichte der zumindest einen Empfangsspule entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen zwischen einer ersten Windungsdichte, insbesondere einer hohen Windungsdichte, und einer zweiten, unterschiedlichen Windungsdichte, insbesondere einer niedrigen Windungsdichte, abwechseln.In one embodiment, the winding density of the at least one receiving coil can alternate between a first winding density, in particular a high winding density, and a second, different winding density, in particular a low winding density, viewed along the center line of the excitation coil.

In einer Ausführungsform kann eine Windungsrichtung der zumindest einen Empfangsspule entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen in zumindest einem Teilbereich der zumindest einen Empfangsspule oder in der gesamten zumindest einen Empfangsspule gleich sein. Dadurch kann die Spulenanordnung konstruktiv sehr einfach ausgebildet sein,In one embodiment, a winding direction of the at least one receiving coil seen along the center line of the excitation coil can be the same in at least a partial area of the at least one receiving coil or in the entire at least one receiving coil. As a result, the coil arrangement can be of very simple construction,

In einer Ausführungsform kann die Windungsrichtung der zumindest einen Empfangsspule entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen variieren bzw. sich ändern. Mit anderen Worten kann die Windungsrichtung entlang der Mittellinie in unterschiedlichen Teilbereichen der Empfangsspule bzw. Spulenbereichen gegensinnig sein, Die in einer solchen Empfangsspule induzierte Spannung kann als eine Summe der räumlich versetzten Einzelkennlinien der Spulenteilen, je mit Vorzeichen nach Wicklungsrichtung, verstanden werden. Dadurch kann die induzierte Spannung eine weitere Charakteristik aufweisen, die zur Positionsbestimmung verwendet werden kann.In one embodiment, the winding direction of the at least one receiving coil can vary or change as seen along the center line of the excitation coil. In other words, the winding direction along the center line can be in opposite directions in different partial areas of the receiving coil or coil areas. The voltage induced in such a receiving coil can be understood as a sum of the spatially offset individual characteristic curves of the coil parts, each with a sign according to the winding direction. As a result, the induced voltage can have a further characteristic that can be used to determine the position.

Die Empfangsspule kann beispielsweise periodisch abwechselnde Teilbereiche mit Windungen und Teilbereiche ohne Windungen aufweisen. Es ist auch möglich, dass die Wicklungsrichtung in den nacheinander folgenden gewickelten Teilbereichen (oder Spulenteilen) gegensinnig sein kann. Die Kennlinie einer solchen Empfangsspule, d.h. die Objektpositionsabhängigkeit oder in anderen Worten die Ortsabhängigkeit der vorzeichenrichtig demodulierten, in der Empfangsspule induzierten Spannung kann dann eine Summe der räumlich versetzten Einzelkennlinien der Spulenteilen, je mit Vorzeichen nach Wicklungsrichtung, sein. Beispielsweise kann eine Empfangsspule mit periodisch angeordneten im Wesentlichen identischen Spulenteilen (bis aus die Spulenenden) eine im Wesentlichen periodische Kennlinie aufweisen.The receiving coil can, for example, have periodically alternating sub-areas with turns and sub-areas without turns. It is also possible for the winding direction to be in the opposite direction in the successively wound partial areas (or coil parts). The characteristic of such a receiving coil, i.e. the object position dependence or in other words the location dependence of the voltage induced in the receiving coil, demodulated with the correct sign, can then be a sum of the spatially offset individual characteristic curves of the coil parts, depending on the sign according to the winding direction. For example, a receiving coil with periodically arranged essentially identical coil parts (except for the coil ends) can have an essentially periodic characteristic.

In einer Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung eine Mehrzahl von Empfangsspulen aufweisen, wobei Windungen der Mehrzahl von Empfangsspulen um die Windungen der Anregungsspule herum, im Wesentlichen senkrecht zu den Windungen der Anregungsspule und symmetrisch bezüglich der Mittellinie der Anregungsspule angeordnet sein können. Dabei kann jede der Mehrzahl der Empfangsspulen wie oben beschrieben ausgestaltet und optional bezüglich der Anregungsspule und/oder dem Objekt angeordnet sein. Dadurch kann ein breiter Bereich der Anregungsspule entlang ihrer Mittellinie mit einer Empfangsspule bedeckt sein und jede Empfangsspule eine deutliche Einzelkennlinie aufweisen, so dass insgesamt eine gute Positionsbestimmung über einen großen Bereich möglich sein kann.In one embodiment, the sensor device may have a plurality of receiving coils, wherein turns of the plurality of receiving coils may be arranged around the turns of the excitation coil, substantially perpendicular to the turns of the excitation coil and symmetrically with respect to the centerline of the excitation coil. In this case, each of the plurality of receiving coils can be designed as described above and optionally arranged with respect to the excitation coil and/or the object. As a result, a wide area of the excitation coil can be covered with a receiving coil along its center line and each receiving coil can have a clear individual characteristic, so that overall a good position determination tuning can be possible over a large area.

In einer Ausführungsform können Empfangsspulen der Mehrzahl von Empfangsspulen entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen voneinander beabstandet angeordnet sein und um unterschiedliche Teilbereiche der Windungen der Anregungsspule herum angeordnet sein. Sind die mehreren Empfangsspulen mit ausreichend überlappenden Einzelkennlinien zueinander angeordnet, kann eine annähernd gleich gute Positionsermittlung für das Objekt bei reduzierten Baukosten durchgeführt werden, indem die induzierte Spannung von je zwei oder mehreren benachbarten Empfangsspulen ausgewertet werden kann. Beispielsweise wenn zur Ermittlung der longitudinalen Position des Objekts der Mehrphasen-Quadratur-Demodulationsalgorithmus, wie er in CN 106104210 B beschrieben ist, angewendet wird, können sich die Einzelkennlinien ausreichend überlappen, wenn die Entfernung zwischen Mittelpunkten der benachbarten Empfangsspulen definitiv weniger als der longitudinale Abstand zwischen den Extremwertpunkten der Einzelkennlinien sein kann.In one embodiment, receiving coils of the plurality of receiving coils may be spaced from each other as viewed along the centerline of the excitation coil and may be disposed around different portions of the turns of the excitation coil. If the multiple receiving coils are arranged with sufficiently overlapping individual characteristic curves relative to one another, an approximately equally good position determination for the object can be carried out with reduced construction costs by evaluating the induced voltage of two or more adjacent receiving coils. For example, if to determine the longitudinal position of the object the polyphase quadrature demodulation algorithm as described in CN 106104210B is applied, the individual characteristic curves can sufficiently overlap if the distance between centers of the adjacent receiving coils can definitely be less than the longitudinal distance between the extreme value points of the individual characteristic curves.

In einer Ausführungsform kann eine erste Empfangsspule (oder mehrere erste Empfangsspulen) der Mehrzahl von Empfangsspulen um eine zweite Empfangsspule (oder mehrere zweite Empfangsspulen) der Mehrzahl von Empfangsspulen herum angeordnet sein, und ein oder mehrere Abschnitte der ersten Empfangsspule(n) mit einer ersten Windungsdichte, beispielsweise einer hohen Windungsdichte oder einen geringen Windungsdichte, kann bzw. können einen oder mehrere Abschnitte der zweiten Empfangsspule(n) mit einer zweiten Windungsdichte, beispielsweise einer geringen Windungsdichte oder einer hohen Windungsdichte, bedecken. Mit einer Spulenanordnung mit einer Anregungsspule und zwei ähnlichen, entlang der Mittellinie der Anregungsspule gesehen mit einer Viertelperiode versetzten und wie oben beschrieben periodische Teilbereiche aufweisende Empfangsspulen (mit oder auch ohne Änderung der Windungsrichtung) kann eine hochauflösende inkrementelle Positionsbestimmung durchgeführt werden.In one embodiment, a first receiving coil (or multiple first receiving coils) of the plurality of receiving coils may be arranged around a second receiving coil (or multiple second receiving coils) of the plurality of receiving coils, and one or more portions of the first receiving coil(s) having a first turn density , for example a high turn density or a low turn density, may cover one or more sections of the second receiving coil(s) with a second turn density, for example a low turn density or a high turn density. A high-resolution incremental position determination can be carried out with a coil arrangement with an excitation coil and two similar receiving coils, which are offset by a quarter period as seen along the center line of the excitation coil and have periodic sub-regions as described above (with or without changing the winding direction).

Eine oder mehrere Empfangsspulen der Mehrzahl von Empfangsspulen können wie zuvor für die zumindest eine Empfangsspule beschrieben mit gleicher oder variierender Windungsdichte ausgebildet sind. In diesem Falle können eine andere oder mehrere andere Empfangsspulen der Mehrzahl von Empfangsspulen wie zuvor für die zumindest eine Empfangsspule beschrieben mit variierender oder gleicher Windungsdichte ausgebildet sind.One or more receiving coils of the plurality of receiving coils can be designed with the same or varying winding density, as described above for the at least one receiving coil. In this case, one or more other receiving coils of the plurality of receiving coils can be designed with a varying or the same winding density as described above for the at least one receiving coil.

Zusätzlich oder alternativ können eine oder mehrere Empfangsspulen der Mehrzahl von Empfangsspulen wie zuvor für die zumindest eine Empfangsspule beschrieben eine gleiche oder variierende Windungsrichtung aufweisen. In diesem Falle können eine andere oder mehrere andere Empfangsspulen der Mehrzahl von Empfangsspulen wie zuvor für die zumindest eine Empfangsspule beschrieben eine variierende oder gleiche Windungsrichtung aufweisen.Additionally or alternatively, one or more receiving coils of the plurality of receiving coils can have an identical or varying winding direction, as described above for the at least one receiving coil. In this case, one or more other receiving coils of the plurality of receiving coils can have a varying or the same winding direction as described above for the at least one receiving coil.

Es ist auch möglich, dass alle Empfangsspulen der Mehrzahl von Empfangsspulen eine gleiche Windungsdichte und/oder eine gleiche Windungsrichtung aufweisen.It is also possible for all receiving coils of the plurality of receiving coils to have the same winding density and/or the same winding direction.

Die Empfangsspulen der Mehrzahl von Empfangsspulen können auch gegenläufig entlang der Mittellinie angeordnet sein, so dass die Windungsdichte der beiden Empfangsspulen punktsymmetrisch bezüglich des Mittelpunkts der Anregungsspule ist und/oder die Windungsrichtung der beiden Empfangsspulen entlang der Mittellinie gesehen gegenläufig ist.The receiving coils of the plurality of receiving coils can also be arranged in opposite directions along the center line, so that the winding density of the two receiving coils is point-symmetrical with respect to the center point of the excitation coil and/or the winding direction of the two receiving coils is opposite when viewed along the center line.

In einer Ausführungsform kann die Anregungsspule als (gewickelte) Drahtspule ausgebildet sein oder die Anregungsspule kann in und/oder auf einer Schicht oder mehreren Schichten einer Leiterplatte ausgebildet sein.In one embodiment, the excitation coil can be formed as a (wound) wire coil or the excitation coil can be formed in and/or on one or more layers of a printed circuit board.

In einer Ausführungsform kann die zumindest eine Empfangsspule (bzw. die oder alle Empfangsspulen der Mehrzahl der Empfangsspulen) als (gewickelte) Drahtspule ausgebildet sein oder die zumindest eine Empfangsspule (bzw. die oder alle Empfangsspulen der Mehrzahl der Empfangsspulen) kann in und/oder auf mehreren Schichten einer Leiterplatte ausgebildet sein.In one embodiment, the at least one receiving coil (or the or all receiving coils of the plurality of receiving coils) can be embodied as a (wound) wire coil, or the at least one receiving coil (or the or all receiving coils of the plurality of receiving coils) can be in and/or on be formed several layers of a printed circuit board.

Während eine Drahtspule eine besonders hohe Windungsanzahl und damit eine große Amplitude der induzierten Spannung ermöglichen kann, können in Leiterplattentechnologie gefertigte Spulen, die fertigungstechnisch eine begrenzte maximale Windungsanzahl aufweisen können, besonders kostengünstig herstellbar sein. Aufgrund der begrenzten Windungszahl der in Leiterplattentechnologie gefertigten Empfangsspule kann diese Spule ebenfalls ein geringes Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweisen.While a wire coil can enable a particularly high number of turns and thus a large amplitude of the induced voltage, coils manufactured using printed circuit board technology, which can have a limited maximum number of turns in terms of manufacturing technology, can be produced particularly inexpensively. Due to the limited number of turns of the receiver coil, which is manufactured using printed circuit board technology, this coil can also have a low signal-to-noise ratio.

Das Verwenden von mehreren Schichten einer Leiterplatte für die Anregungsspule kann die technisch herstellbare Anzahl der Windungen der Anregungsspule erhöhen. Dabei kann eine Spulenhälfte in einer ersten Schicht und eine weitere Spulenhälfte in einer direkt benachbarten zweiten Schicht realisiert sein. Bei Anregungsspulen mit vielen Windungen können diese auch in drei oder mehr Schichten der Leiterplatte gefertigt sein.Using multiple layers of circuit board for the excitation coil can increase the technically manufacturable number of turns of the excitation coil. One half of the coil can be realized in a first layer and another half of the coil can be realized in a directly adjacent second layer. In the case of excitation coils with many turns, these can also be manufactured in three or more layers of the printed circuit board.

In einer Ausgestaltung kann die Anregungsspule in Leiterplattentechnologie (also in oder auf einer oder mehreren Schichten einer Leiterplatte) gefertigt sein, während die Empfangsspule bzw. die Empfangsspulen als Drahtspule ausgebildet sein kann bzw. können, die um die Leiterplatte herum angeordnet sein kann bzw. können. Diese hybride Realisierung der Spulenanordnung kann einerseits besonders kostengünstig sein und gleichzeitig ein große Spannungsamplitude zur Positionsermittlung ermöglichen.In one configuration, the excitation coil can be manufactured using printed circuit board technology (i.e. in or on one or more layers of a printed circuit board), while the receiving coil or coils can be designed as a wire coil, which can be arranged around the printed circuit board . On the one hand, this hybrid implementation of the coil arrangement can be particularly cost-effective and, at the same time, enable a large voltage amplitude for determining the position.

Gemäß einem zweiten Aspekt ist eine Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position eines Objekts entlang einer sensitiven Achse der Sensorvorrichtung bereitgestellt, wobei die Sensorvorrichtung eine Spulenanordnung gemäß dem ersten Aspekt aufweist.According to a second aspect, a sensor device is provided for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device, the sensor device having a coil arrangement according to the first aspect.

Die Sensorvorrichtung kann ferner eine Sensorelektronik aufweisen, mit der die Positionsermittlung durchführbar ist.The sensor device can also have sensor electronics with which the position can be determined.

In einer Ausführungsform kann für jede separate Empfangsspule eine separate Schaltung der Sensorelektronik zur Verfügung stehen. Dadurch kann die Positionsermittlung vereinfacht werden, da die Signale der unterschiedlichen Empfangsspulen erfasst werden können.In one embodiment, a separate circuit of the sensor electronics can be available for each separate receiving coil. As a result, the position determination can be simplified since the signals of the different reception coils can be detected.

In einer Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung ein seitliches, elektrisch leitfähiges Abschirmelement aufweisen, das die Spulenanordnung seitlich durchgängig bzw. kontinuierlich und symmetrisch umgibt. Die Spulenanordnung kann vollständig hinter der Deckfläche der seitlichen Abschirmung angeordnet sein. Das Abschirmelement kann im Wesentlichen senkrecht zur Stirnfläche der Sensorvorrichtung angeordnet sein. Ein Öffnung des Abschirmelements, das im Betrieb der Sensorvorrichtung zum Objekt hin weisen kann, kann parallel zur Stirnfläche der Sensorvorrichtung angeordnet sein.In one embodiment, the sensor device can have a lateral, electrically conductive shielding element, which laterally surrounds the coil arrangement continuously and symmetrically. The coil assembly may be located entirely behind the top surface of the side shield. The shielding element can be arranged essentially perpendicular to the end face of the sensor device. An opening of the shielding element, which can point towards the object during operation of the sensor device, can be arranged parallel to the end face of the sensor device.

In einer Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung ein planares, elektrisch leitfähiges Abschirmelement aufweisen, das auf einer Seite der Spulenanordnung angeordnet ist, die vom Objekt abgewandt ist. Dieses Abschirmelement kann als hintere Abschirmplatte ausgebildet sein. Das seitliche Abschirmelement und das planare Abschirmelement können aus einem Teil gefertigt sein. Das planare Abschirmelement kann im Wesentlichen parallel zur Stirnfläche des Sensorvorrichtung angeordnet sein.In one embodiment, the sensor device can have a planar, electrically conductive shielding element that is arranged on a side of the coil arrangement that faces away from the object. This shielding element can be designed as a rear shielding plate. The lateral shielding element and the planar shielding element can be made in one piece. The planar shielding element can be arranged essentially parallel to the end face of the sensor device.

Aufgrund des seitlichen Abschirmelements und/oder des planaren Abschirmelements können die Spulenanordnung in einem magnetischen Umfeld, beispielsweise in einer Maschinenwand, integrierbar sein, ohne dass ein störendes Hintergrundsignal durch die metallische Umgebung in der Empfangsspule induzierbar sein kann.Due to the lateral shielding element and/or the planar shielding element, the coil arrangement can be integrated in a magnetic environment, for example in a machine wall, without an interfering background signal being able to be induced in the receiving coil by the metallic environment.

Gemäß einem dritten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position eines Objekts entlang einer sensitiven Achse der Sensorvorrichtung bereitgestellt, wobei die Sensorvorrichtung eine Spulenanordnung aufweist, die eine flache Anregungsspule und zumindest eine Empfangsspule aufweist, deren Windungen um Windungen der Anregungsspule herum, im Wesentlichen senkrecht zur den Windungen der Anregungsspule und symmetrisch bezüglich einer Mittellinie der Anregungsspule angeordnet sind, die entlang der sensitiven Achse der Sensorvorrichtung verläuft, wobei das Objekt beabstandet zur Sensorvorrichtung entlang einer Bewegungslinie bewegt wird, die im Wesentlichen senkrecht zu den Windungen der zumindest einen Empfangsspule verläuft.According to a third aspect, a method for operating a sensor device for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device is provided, the sensor device having a coil arrangement which has a flat excitation coil and at least one receiving coil, the turns of which are around turns of the excitation coil. are arranged essentially perpendicular to the windings of the excitation coil and symmetrically with respect to a center line of the excitation coil that runs along the sensitive axis of the sensor device, the object being moved at a distance from the sensor device along a line of movement that is essentially perpendicular to the windings of the at least one receiving coil runs.

Wird die Anregungsspule mit einem oszillierenden Strom angeregt, kann die Phase der Oszillation des Magnetfelds des Objekts eine Phase definieren, in der die in der Empfangsspule(n) induzierten Spannung mit der größten Amplitude oszilliert. Bei einer Positionsbestimmung kann diese Phase der induzierten Spannung als die „Erfassungsphase“ festgelegt werden und die erfasste Spannungsamplitude kann als Vorzeichen-behaftete Größe definiert werden, die die gleiche Amplitude wie die Amplitude der induzierten Spannung in der Erfassungsphase und ein Vorzeichen gemäß der Polarität der induzierten Spannung in der Erfassungsphase aufweisen kann.If the excitation coil is excited with an oscillating current, the phase of the oscillation of the object's magnetic field can define a phase in which the voltage induced in the receiving coil(s) oscillates with the greatest amplitude. In a position determination, this phase of the induced voltage can be defined as the "sense phase" and the sensed voltage amplitude can be defined as a signed quantity having the same amplitude as the amplitude of the induced voltage in the sense phase and a sign according to the polarity of the induced voltage tension in the acquisition phase.

Figurenlistecharacter list

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 zeigt schematisch eine Spulenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für eine Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position eines Objekts relativ zur Sensorvorrichtung in perspektivischer Ansicht;
  • 2 zeigt schematisch eine Spulenanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht;
  • 3 zeigt schematisch eine Spulenanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht;
  • 4A, 4B und 4C zeigen schematisch eine Anregungsspule und eine erste und zweite Empfangsspule für eine Spulenanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel in Draufsicht auf verschiedene Leiterplattenschichten und im Querschnitt;
  • 5 zeigt schematisch eine Spulenanordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel in Draufsicht;
  • 6A, 6B, 6C zeigen schematisch eine Spulenanordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel in Draufsicht;
  • 7 zeigt schematisch eine alternative Realisierung der Empfangsspule der in 6B, 6C gezeigten Spulenanordnung in Draufsicht;
  • 8 zeigt schematisch eine Spulenanordnung gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel in Draufsicht;
  • 9 zeigt schematisch die Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer zu 3 ähnlichen Spulenanordnung mit drei Empfangsspulen und einer Sensorelektronik;
  • 10 zeigt schematisch ein Abschirmelement und die Spulenanordnung der Sensorvorrichtung in 9;
  • 11A, 11B, 11C zeigen schematische Diagramme, die Quadratur-Phase-Amplituden von erfassten Spannungen in Empfangsspulen der Spulenanordnung in 9, die in einer Maschinenwand bzw. alleinstehend ist, in Abhängigkeit einer Objektposition zeigen; und
  • 12 zeigt ein schematisches Diagramm, das die ermittelte longitudinale Position des Objekts in Abhängigkeit der reellen Objektposition zeigt.
Embodiments of the invention are shown in the drawings and explained in more detail in the following description. Show it:
  • 1 shows schematically a coil arrangement according to a first embodiment for a sensor device for determining a position of an object relative to the sensor device in a perspective view;
  • 2 shows schematically a coil arrangement according to a second embodiment in a perspective view;
  • 3 shows schematically a coil arrangement according to a third embodiment in a perspective view;
  • 4A , 4B and 4C 12 schematically show an excitation coil and a first and second receiving coil for a coil arrangement according to a fourth exemplary embodiment in top view of different circuit board layers and in cross section;
  • 5 shows schematically a coil arrangement according to a fifth embodiment in plan view;
  • 6A , 6B , 6C show schematically a coil arrangement according to a sixth embodiment in plan view;
  • 7 shows schematically an alternative realization of the receiving coil of FIG 6B , 6C shown coil arrangement in plan view;
  • 8th shows schematically a coil arrangement according to a seventh embodiment in plan view;
  • 9 shows schematically the sensor device according to an embodiment with a to 3 similar coil arrangement with three receiver coils and sensor electronics;
  • 10 shows schematically a shielding element and the coil arrangement of the sensor device in FIG 9 ;
  • 11A , 11B , 11C show schematic diagrams showing the quadrature phase amplitudes of detected voltages in receiving coils of the coil arrangement in FIG 9 , which is in a machine wall or stand alone, depending on an object position; and
  • 12 shows a schematic diagram showing the determined longitudinal position of the object as a function of the real object position.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Gleiche oder ähnliche Bauteile oder Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Identical or similar components or elements are provided with the same reference symbols.

Eine in 1 gezeigte und mit dem Bezugszeichen 10 versehene Spulenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für eine Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Position eines Objekts O relativ zur Sensorvorrichtung weist eine flache Anregungsspule 12 und eine Empfangsspule 14 auf. Die Anregungsspule 12 ist als gewickelte Drahtspule mit einem in einer Spulenebene gesehen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt entlang ihrer Längserstreckung gesehen ausgebildet. Windungen 16 der Anregungsspule 12 verlaufen in Richtung der Längserstreckung der Anregungsspule 12. Eine Mittellinie M der Anregungsspule 12 in der Spulenebene entspricht einer Längsachse L der Anregungsspule 12 und somit der Spulenanordnung 10. Die Empfangsspule 14 weist ebenfalls einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Spulenebene auf. Windungen 18 der als gewickelte Drahtspule ausgebildeten Empfangsspule 14 sind um die Windungen 16 der Anregungsspule 12 herum angeordnet, so dass die Windungen 16 entlang der Mittellinie M gesehen senkrecht zu den länglichen Windungen 18 verlaufen. Die Windungen 18 sind ferner symmetrisch bezüglich der Mittellinie M der Anregungsspule 12 angeordnet, so dass die Windungen 18 in Sicht auf die Spulenebene gesehen um die Mittellinie M zentriert sind und beidseitig der Mittellinie M vorgesehene kurze Windungsendabschnitte, an denen jeweilige Windungen umbiegen, einen gleich weiten Abstand von der Mittellinie haben. Die Empfangsspule 14 bedeckt lediglich entlang der Mittellinie M gesehen einen schmalen Längsbereich der Anregungsspule 12. Alternativ kann die Empfangsspule 14 breit ausgebildet sein und einen überwiegenden oder den gesamte Anregungsspule entlang der Mittellinie M gesehen bedecken. Eine Windungsdichte der Empfangsspule 14 ist konstant entlang Mittellinie M gesehen. Alternativ kann die Windungsdichte entlang der Mittellinie M der Anregungsspule 12 variieren. Ferner ist ein Windungsrichtung der Windungen 18 der Empfangsspule 14 entlang der Mittellinie M gesehen konstant gleich. Eine Sensorelektronik der Sensorvorrichtung ist mit Anschlüssen 20a, 20b der Anregungsspule 12 bzw. 22a, 22b der Empfangsspule 14 verbindbar, die als Lötkontakte an einem Endbereich der Spulen 12, 14 ausgebildet sind.one inside 1 The coil arrangement shown and provided with the reference numeral 10 according to a first exemplary embodiment for a sensor device for determining a position of an object O relative to the sensor device has a flat excitation coil 12 and a receiving coil 14 . The excitation coil 12 is designed as a wound wire coil with an essentially rectangular cross-section, viewed in a coil plane, viewed along its longitudinal extension. Windings 16 of the excitation coil 12 run in the direction of the longitudinal extent of the excitation coil 12. A center line M of the excitation coil 12 in the coil plane corresponds to a longitudinal axis L of the excitation coil 12 and thus of the coil arrangement 10. The receiving coil 14 also has a substantially rectangular cross section perpendicular to the coil plane . Windings 18 of the receiving coil 14 embodied as a wound wire coil are arranged around the windings 16 of the excitation coil 12 such that the windings 16 run perpendicularly to the elongate windings 18 when viewed along the center line M. The windings 18 are also arranged symmetrically with respect to the center line M of the excitation coil 12, so that the windings 18 are centered around the center line M when viewed from the plane of the coil, and short winding end sections provided on both sides of the center line M, on which the respective windings bend, have an equal width distance from the center line. The receiving coil 14 only covers a narrow longitudinal region of the excitation coil 12 viewed along the center line M. A turn density of the receiving coil 14 is constant as seen along center line M. FIG. Alternatively, the turn density along the centerline M of the excitation coil 12 may vary. Furthermore, a winding direction of the windings 18 of the receiving coil 14 seen along the center line M is constantly the same. Sensor electronics of the sensor device can be connected to connections 20a, 20b of the excitation coil 12 or 22a, 22b of the receiving coil 14, which are designed as soldering contacts on an end area of the coils 12, 14.

Das Objekt O ist von einer Ebene der Spulenanordnung 10 beabstandet auf einer Seite der Spulenanordnung in einem festen Abstand D anordbar. Es versteht sich, dass, wenn die Sensorvorrichtung ein Gehäuse aufweist, in dem die Spulenanordnung 10 aufgenommen ist, der Abstand D zwischen einer zum Objekt O weisenden Stirnfläche des Gehäuses und dem Objekt bemessen sein kann. Das Objekt O ist entlang einer festen Bewegungslinie bewegbar, die parallel Mittellinie M, die einer sensitiven Achse S der Sensorvorrichtung entspricht, verläuft. Die Sensorvorrichtung ist eingerichtet, eine axiale Position P des Objekts O entlang der sensitiven Achse S beispielsweise ausgehend von dem Mittelpunkt MP der Anregungsspule 12 zu ermitteln.The object O can be arranged at a fixed distance D from a plane of the coil arrangement 10 on one side of the coil arrangement. It goes without saying that if the sensor device has a housing in which the coil arrangement 10 is accommodated, the distance D between an end face of the housing pointing towards the object O and the object can be dimensioned. The object O is movable along a fixed line of motion parallel to the center line M corresponding to a sensitive axis S of the sensor device. The sensor device is set up to determine an axial position P of the object O along the sensitive axis S, for example starting from the center point MP of the excitation coil 12 .

Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel ist ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel in 1 ausgebildet. Allerdings sind anstelle einer einzelnen schmalen Empfangsspule 14 zwei schmale Empfangsspulen 14a, 14b vorgesehen, die voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Empfangsspulen 14a, 14b sind in unterschiedlichen Teilbereichen 24 der Windungen 16 der Anregungsspule 12 vorgesehen. Während Teilbereiche 24a, 24c und 24e nicht von den Empfangsspulen 14a, 14b bedeckt sind, bedecken die Empfangsspulen 14a, 14b die Teilbereiche 24b, 24d. Eine Windungsdichte der beiden Empfangsspulen 14a, 14b ist jeweils entlang der Längserstreckung gesehen konstant.This in 2 The embodiment shown is similar to the embodiment in FIG 1 educated. However, instead of a single, narrow receiving coil 14, two narrow receiving coils 14a, 14b are provided, which are arranged at a distance from one another. The receiving coils 14a, 14b are provided in different partial areas 24 of the windings 16 of the excitation coil 12. While partial areas 24a, 24c and 24e are not covered by the reception coils 14a, 14b, the reception coils 14a, 14b cover the partial areas 24b, 24d. A winding density of the two receiving coils 14a, 14b is constant when viewed along the longitudinal extension.

Die in 3 gezeigte Spulenanordnung 10 gemäß dem dritten ,Ausführungsbeispiel ist ähnlich zu der Spulenanordnung 10 in 1 ausgebildet. Allerdings ist die Anregungsspule 14 nicht als Drahtspule, sondern als Leiterbahnen (gestrichelt dargestellt) in einer Leiterplatte 26 ausgebildet. Die Leiterplatte 26 ist einschichtig ausgebildet, so dass die Windungen 16 in einer Oberfläche 27 der Leiterplatte 26, die benachbart zum Objekt O anordbar ist, strukturiert sind. Alternativ oder zusätzlich können Leiterbahnen der Anregungsspule 12 auf der Oberfläche 27 angeordnet sein. Anschlüsse 20a, 20b sind nicht als Lötkontakte, sondern als Kontaktflächen in und/oder auf der Leiterplatte 26 ausgebildet. Anstelle einer Empfangsspule 14 sind drei voneinander beabstandete schmale Empfangsspulen 14a, 14b, 14c vorgesehen, die um die Leiterplatte 26 herumgewickelt sind. Windungen 18a, 18b bzw. 18c der Empfangsspulen 14a, 14b bzw. 14c sind in Teilbereichen 24b, 24d, 24f von Windungen 16 der Anregungsspule 12 realisiert, während Teilbereiche 24a, 24c, 24e, 24g der Windungen 16 der Anregungsspule 12 unbedeckt sind. Eine Windungsdichte der drei Empfangsspulen 14a-14c ist jeweils entlang der Mittellinie M gesehen konstant.In the 3 The coil arrangement 10 shown according to the third exemplary embodiment is similar to the coil arrangement 10 in FIG 1 educated. However, the excitation coil 14 is not designed as a wire coil, but as conductor tracks (shown in broken lines) in a printed circuit board 26 . The printed circuit board 26 is designed in one layer, so that the windings 16 are structured in a surface 27 of the printed circuit board 26, which can be arranged adjacent to the object O. Alternatively or additionally, conductor tracks of the excitation coil 12 can be arranged on the surface 27 . Connections 20a, 20b are not designed as solder contacts but as contact areas in and/or on the printed circuit board 26. Instead of a receiving coil 14, three narrow receiving coils 14a, 14b, 14c spaced apart from one another are provided, which are wound around the printed circuit board 26. Windings 18a, 18b and 18c of the receiving coils 14a, 14b and 14c are implemented in partial areas 24b, 24d, 24f of windings 16 of the excitation coil 12, while partial areas 24a, 24c, 24e, 24g of the windings 16 of the excitation coil 12 are uncovered. A winding density of the three receiving coils 14a-14c is constant as viewed along the center line M in each case.

Die in 4 gezeigte Spulenanordnung 10 ist ähnlich zu der Spulenanordnung 10 in 3 ausgebildet. Die Leiterplatte 26 ist mittels vier aufeinander liegenden Schichten 28a-28d ausgebildet. Die Anregungsspule 12 ist zweiteilig ausgebildet. Eine Hälfte 12a der Anregungsspule 12 (durchgezogene Linien in 4A) ist in der inneren Leiterplattenschicht 28c und eine zweite Hälfte 12b der Anregungsspule 12 (gestrichelte Linien in 4A) in der inneren Leiterplattenschicht 28b, die direkt benachbart zur Leiterplattenschicht 28c liegt, strukturiert. Die beiden Spulenhälften 12a, 12b sind über eine entsprechende Durchkontaktierung bzw. Via 29 miteinander verbunden. Die Anregungsspule 12 weist zusätzlich zu den Kontaktflächen 20a, 20b an ihren Windungsenden externe Anschlüsse 30a, 30b auf, die als Kabel mit zugehörigen Lötkontakten ausgebildet sind. Ferner weist die Spulenanordnung 10 anstelle von drei Empfangsspulen 14a-14c lediglich zwei Empfangsspulen 14a-14b auf. Windungen 18a, 18b der ersten bzw. zweiten Empfangsspule 14a, 14b erstrecken sich in der Leiterplattenschicht 28a (durchgezogene Linien in 4B) bzw. in der Leiterplattenschicht 28d (gestrichelte Linien in 4B), die die beiden Leiterplattenschichten 28b, 28c beidseitig umgeben. Die Leiterbahnen der Empfangsspulen 14a, 14b durchbrechen ferner die Schichten 28b, 28c mittels Durchkontaktierungen bzw. Vias 31a-31d. Eine Windungsdichte der zwei Empfangsspulen ist entlang der Längsachse L gesehen konstant. Externe Anschlüsse 32a-32d, die als Kabel mit endseitigen Lötkontakten ausgebildet sind, sind mit den Kontaktflächen 22a-22d der Empfangsspulen 14a, 14b verbunden.In the 4 The coil assembly 10 shown is similar to the coil assembly 10 in FIG 3 educated. The printed circuit board 26 is formed by means of four layers 28a-28d lying one on top of the other. The excitation coil 12 is formed in two parts. One half 12a of the excitation coil 12 (solid lines in 4A ) is in the inner circuit board layer 28c and a second half 12b of the excitation coil 12 (dashed lines in 4A ) in the inner circuit board layer 28b, which is directly adjacent to the circuit board layer 28c. The two coil halves 12a, 12b are connected to one another via a corresponding plated-through hole or via 29. In addition to the contact surfaces 20a, 20b, the excitation coil 12 has external connections 30a, 30b at its winding ends, which are designed as cables with associated soldering contacts. Furthermore, the coil arrangement 10 has only two receiving coils 14a-14b instead of three receiving coils 14a-14c. Turns 18a, 18b of the first and second receiver coils 14a, 14b, respectively, extend in the circuit board layer 28a (solid lines in 4B ) or in the circuit board layer 28d (dashed lines in 4B ), which surround the two circuit board layers 28b, 28c on both sides. The conductor tracks of the receiving coils 14a, 14b also break through the layers 28b, 28c by means of plated-through holes or vias 31a-31d. Seen along the longitudinal axis L, a winding density of the two receiving coils is constant. External connections 32a-32d, which are in the form of cables with end solder contacts, are connected to the contact surfaces 22a-22d of the receiving coils 14a, 14b.

Die in 5 gezeigte Spulenanordnung 10 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ist ähnlich zu der Spulenanordnung 10 in 2 ausgebildet. Allerdings weist die Anregungsspule 12 keinen rechteckigen, sondern einen halbkreisförmig gekrümmten Querschnitt in der Spulenebene auf. Anstelle von zwei voneinander beabstandeten Empfangsspulen 14a, 14b sind drei voneinander beabstandete Empfangsspulen 14a-14c mit konstanter Windungsdichte der Empfangsspulen 14a, 14b, 14c vorgesehen, die jeweils über ihre jeweiligen Anschlüsse 22a-22f mit einer unterschiedlichen Schaltung einer Sensorelektronik verbindbar sind. Das Objekt O ist in einem festen Abstand D zur Spulenebene parallel zur Mittellinie M bewegbar. Das Objekt O kann auch in einem variablen Abstand D bewegbar sein, da mehr als eine Empfangsspule 14a-14c vorgesehen ist.In the 5 The coil arrangement 10 shown according to the fifth exemplary embodiment is similar to the coil arrangement 10 in FIG 2 educated. However, the excitation coil 12 does not have a rectangular cross section, but rather a semicircular cross section in the plane of the coil. Instead of two spaced-apart receiving coils 14a, 14b, three spaced-apart receiving coils 14a-14c are provided with a constant winding density of receiving coils 14a, 14b, 14c, which can each be connected to a different circuit of sensor electronics via their respective connections 22a-22f. The object O can be moved parallel to the center line M at a fixed distance D from the coil plane. The object O can also be movable at a variable distance D since more than one receiving coil 14a-14c is provided.

Eine in 6 gezeigte Spulenanordnung 10 ist ähnlich zur Spulenanordnung 10 in 1 ausgebildet. Allerdings weist die Spulenanordnung eine erste und zweite Empfangsspule auf 14a, 14b auf. Die erste Empfangsspule 14a, ist um die Anregungsspule 12 gewickelt, während die zweite Empfangsspule 14b um die Anregungsspule 12 und die erste Empfangsspule 14a gewickelt ist. Windungen 18a, 18b der beiden Empfangsspulen 14a, 14b erstrecken sich entlang einer gesamten Längserstreckung einer Anregungsspule 12. Eine Windungsdichte der ersten Empfangsspule 14a wechselt sich entlang einer Mittelinie M der Anregungsspule 12 gesehen zwischen einer großen Windungsdichte und einer kleinen Windungsdichte ab, so dass die Windungsdichte in voneinander beabstandeten Teilbereichen 34a, 34c, 34e, 34g, 34i, 34k, 34m, 340, 34q der ersten Empfangsspule 14a groß ist und die Windungsdichte in voneinander beabstandeten Teilbereichen 34b, 34d, 34f, 34h, 34j, 341, 34n, 34p, 34r der ersten Empfangsspule 14a klein ist. Die zweite Empfangsspule 14b ist um die erste Empfangsspule 14a herumgewickelt und ist ähnlich zur ersten Empfangsspule 14a ausgebildet und angeordnet. Allerdings ist eine Windungsdichte der zweiten Empfangsspule 14b entlang der Mittellinie M gesehen in voneinander beabstandeten Teilbereichen 36a, 36c, 36e, 36g, 36i, 36k, 36m, 36o, 36q, 36s der zweiten Empfangsspule 18b klein und eine Windungsdichte in voneinander beabstandeten Teilbereichen 36b, 36d, 36f, 36h, 36j, 36I, 36n, 36p, 36r der zweiten Empfangsspule 14b ist groß. Die erste und zweite Empfangsspule 14a, 14b sind um eine Viertelperiode, die durch die Windungsdichteänderung bestimmt ist, entlang der Mittellinie M zueinander versetzt. Eine Sensorvorrichtung mit einer solchen Spulenanordnung 10 ist besonders vorteilig, wenn die Periode ungefähr zweimal dem Abstand zwischen der beiden Extremwerten der Einzelkennlinie eines dicht gewickelten Spulenteils entspricht, damit der räumliche Verlauf der vorzeichenbehafteten Amplituden von den zwei Empfangsspulen einem Sinus-Cosinus-Funktionspaar ähnelt, das in der Technologie der hochauflösenden inkrementellen Encoder gewöhnlich ist.one inside 6 The coil assembly 10 shown is similar to the coil assembly 10 in FIG 1 educated. However, the coil arrangement has a first and second receiving coil on 14a, 14b. The first receiving coil 14a is wound around the excitation coil 12, while the second receiving coil 14b is wound around the excitation coil 12 and the first receiving coil 14a. Windings 18a, 18b of the two receiving coils 14a, 14b extend along the entire length of an excitation coil 12. A winding density of the first receiving coil 14a alternates between a large winding density and a small winding density viewed along a center line M of the excitation coil 12, so that the winding density is large in partial areas 34a, 34c, 34e, 34g, 34i, 34k, 34m, 340, 34q of the first receiving coil 14a that are spaced apart from one another and the winding density in partial areas 34b, 34d, 34f, 34h, 34j, 341, 34n, 34p that are spaced apart from one another, 34r of the first receiving coil 14a is small. The second receiving coil 14b is wound around the first receiving coil 14a and is constructed and arranged similarly to the first receiving coil 14a. However, a winding density of the second receiving coil 14b seen along the center line M is small in partial areas 36a, 36c, 36e, 36g, 36i, 36k, 36m, 36o, 36q, 36s of the second receiving coil 18b and a winding density in partial areas 36b, 36d, 36f, 36h, 36j, 36I, 36n, 36p, 36r of the second receiving coil 14b is large. The first and second receiving coils 14a, 14b are offset from one another along the center line M by a quarter period which is determined by the change in winding density. A sensor device with such a coil arrangement 10 is particularly advantageous if the period corresponds approximately twice to the distance between the two extreme values of the individual characteristic curve of a tightly wound coil part, so that the spatial profile of the signed amplitudes of the two receive coils resembles a sine-cosine functional pair common in high-resolution incremental encoder technology.

Der in 7 gezeigte Ausschnitt der Spulenanordnung 10 stellt eine alternative Wicklungsart zur Realisierung der Empfangsspule 14a und/oder 14b der Spulenanordnung 10 in 6 dar. Die Windungsdichte der Empfangsspule 14a und/oder 14b entlang der Mittellinie M gesehen folgt einer binären Funktion. Mit anderen Worten wechseln sich Teilbereiche 34b, 34d mit hoher Windungsdichte und Teilbereiche 34a, 34c, 34e mit nur einer Windung 18 ab.the inside 7 The section of the coil arrangement 10 shown represents an alternative type of winding for realizing the receiving coil 14a and/or 14b of the coil arrangement 10 in 6 The winding density of the receiving coil 14a and/or 14b seen along the center line M follows a binary function. In other words, partial areas 34b, 34d with a high winding density and partial areas 34a, 34c, 34e with only one winding 18 alternate.

Eine in 8 gezeigte Spulenanordnung 10 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel ist ähnlich zur Spulenanordnung 10 in 1 ausgebildet. Die Anregungsspule 12 ist schematisch dargestellt. Allerdings weist die Spulenanordnung 10 zwei Empfangsspulen 14a, 14b auf, die entlang der Mittellinie M gesehen gegenläufig angeordnet sind. Beide Empfangsspulen 14a, 14b weisen eine entlang der Mittellinie M gesehen variierende Windungsdichte auf, so dass ein außen liegender Teilbereich 34a bzw. 36a der ersten Empfangsspule 14a bzw. der zweiten Empfangsspule 14b eine größere Windungsdichte als ein innen liegender Teilbereich 34b bzw., 36b der ersten Empfangsspule 14a bzw. der zweiten Empfangsspule 14b hat. Beide Empfangsspulen 18a, 18b weisen zusätzlich eine sich entlang der Mittellinie M gesehen ändernde Windungsrichtung auf. Mit anderen Worten dreht sich die Windungsrichtung um, so dass der Teilbereich 34a, 36a der Empfangsspulen 14a, 14b eine entgegengesetzte Windungsrichtung zu den Teilbereichen 34b, 36b aufweisen. Zusätzlich ist die Windungsrichtung des Teilbereichs 34a gegenläufig zur Windungsrichtung des Teilbereichs 36a, und die Windungsrichtung des Teilbereichs 34b ist gegenläufig zur Windungsrichtung des Teilbereichs 36b. Die erste Empfangsspule 14a und die zweite Empfangsspule 14b sind zusätzlich teilweise ineinander gesteckt, so dass ein Leitungsstück 39a der ersten Empfangsspule zwischen den Teilbereichen 34a, 34b durch ein Inneres des Teilbereichs 36b der zweiten Empfangsspule 14b und ein Leitungsstück 39b der zweiten Empfangsspule 14b zwischen den Teilbereichen 36a, 36b durch ein Inneres des Teilbereichs 34b der ersten Empfangsspule 14b hindurch verläuft.one inside 8th The coil arrangement 10 shown according to a seventh exemplary embodiment is similar to the coil arrangement 10 in FIG 1 educated. The excitation coil 12 is shown schematically. However, the coil arrangement 10 has two receiving coils 14a, 14b which, viewed along the center line M, are arranged in opposite directions. Both receiving coils 14a, 14b have a varying winding density viewed along the center line M, so that an outer partial area 34a or 36a of the first receiving coil 14a or the second receiving coil 14b has a higher winding density than an inner partial area 34b or 36b of the first receiving coil 14a and the second receiving coil 14b. Both receiving coils 18a, 18b additionally have a winding direction that changes as seen along the center line M. In other words, the winding direction is reversed, so that the partial area 34a, 36a of the receiving coils 14a, 14b have an opposite winding direction to the partial areas 34b, 36b. In addition, the winding direction of portion 34a is opposite to the winding direction of portion 36a, and the winding direction of portion 34b is opposite to the winding direction of portion 36b. The first receiving coil 14a and the second receiving coil 14b are also partially plugged into one another, so that a line piece 39a of the first receiving coil between the partial areas 34a, 34b through an interior of the partial area 36b of the second receiving coil 14b and a line piece 39b of the second receiving coil 14b between the partial areas 36a, 36b runs through an interior of the partial area 34b of the first receiving coil 14b.

Es versteht sich, dass sich die Windungsrichtung bei zumindest einer oder allen Empfangsspulen 14 der in 1 bis 7 dargestellten Spulenanordnungen 10 ändern kann.It goes without saying that the winding direction in at least one or all of the receiving coils 14 in 1 until 7 coil assemblies 10 shown can change.

Eine in 9 gezeigte Sensorvorrichtung 40 weist eine Spulenanordnung 10 gemäß 1 bis 8 und die jetzt mit dem Bezugszeichen 42 versehene Sensorelektronik auf, über die Anschlüsse 20, 22 bzw. 30, 32 mit den jeweiligen Spulen 12, 14 elektrisch gekoppelt ist. Zur Veranschaulichung ist die Spulenanordnung 10 in 3 dargestellt. Allerdings ist die Anregungsspule 12 als Drahtspule ausgebildet. Die Anregungsspule 12 ist über ihre Anschlüsse 20a, 20b mit einer Schaltung 43a der Sensorelektronik 42 verbunden. Jede der Empfangsspulen 14a, 14b bzw. 14c ist über entsprechende Anschlüsse 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f mit einer separaten Schaltung 43b, 43c, 43d der Sensorelektronik 42 für die Positionsbestimmung des Objekts O verbunden. Die Schaltungen 43b-43d sind als Demodulatorenausgebildet. Alternativ können die drei Empfangsspulen 14a-14c mit nur einer Schaltung verbunden sein, die als Demodulator ausgebildet ist und die in einer Zeit-gemultiplexten Art betreibbar ist.one inside 9 Sensor device 40 shown has a coil arrangement 10 according to 1 until 8th and the sensor electronics, now provided with the reference numeral 42, are electrically coupled to the respective coils 12, 14 via the terminals 20, 22 and 30, 32, respectively. For illustration, the coil assembly is 10 in 3 shown. However, the excitation coil 12 is designed as a wire coil. The excitation coil 12 is connected to a circuit 43a of the sensor electronics 42 via its connections 20a, 20b. Each of the receiving coils 14a, 14b and 14c is connected to a separate circuit 43b, 43c, 43d of the sensor electronics 42 for determining the position of the object O via corresponding connections 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f. The circuits 43b-43d are designed as demodulators. Alternatively, the three receiving coils 14a-14c can be connected to only one circuit, which is designed as a demodulator and which is operable in a time-division multiplexed manner.

Wie in 10 gezeigt, ist die Spulenanordnung 10 optional in einem ersten elektrisch leitfähigen Abschirmelement 44 der Sensorvorrichtung 40 angeordnet, das die Spulenanordnung 10 derart seitlich und kontinuierlich umgibt, dass die Spulenanordnung 10 mittig in Seitenwänden 46a-46d des Abschirmelements 44 erstreckt. Eine offene Deckfläche 48a des ersten Abschirmelements 44 weist zum Objekt hin. Die Sensorvorrichtung 10 weist ferner ein zweites planares, elektrisch leitfähiges Abschirmelement 50 auf, das als Abschirmplatte ausgebildet ist und eine Öffnung in einer weiteren Deckfläche 48b des ersten Abschirmelements 44, die vom Objekt O weg weist, möglichst vollständig bedeckt. Das erste und zweite Abschirmelement 44, 50 sind einstückig ausgebildet, können alternativ aber auch als zwei Bauteile vorgesehen sein. Das erste und zweite Abschirmelement 44 können z. B. aus Kupfer oder aus niedrigmagnetisierbaren Edelstahl gefertigt sein. In einer Einbausituation ist die Sensorvorrichtung 40 in eine Maschinenwand 52 einer Maschine installiert, die beispielsweise aus Kupfer oder Stahl gefertigt ist. Dabei kann die Sensorvorrichtung 40 wie in 10 gezeigt direkt in die Maschinenwand 52 eingebaut sein. Es ist auch möglich, dass die Sensorvorrichtung 40 in einem Sensorgehäuse aufgenommen ist, dessen Stirnseite zum Objekt O weist und parallel zur Deckfläche 48a des ersten Abschirmelements 44 ausgerichtet ist.As in 10 shown, the coil arrangement 10 is optionally arranged in a first electrically conductive shielding element 44 of the sensor device 40, which laterally and continuously surrounds the coil arrangement 10 such that the coil arrangement 10 extends centrally in side walls 46a-46d of the shielding element 44. An open top surface 48a of the first shielding element 44 faces the object. Sensor device 10 also has a second planar, electrically conductive shielding element 50, which is designed as a shielding plate and covers an opening in a further top surface 48b of first shielding element 44, which faces away from object O, as completely as possible. The first and second shielding element 44, 50 are formed in one piece, but can alternatively also be provided as two components. The first and second shielding element 44 can, for. B. be made of copper or low magnetizable stainless steel. In an installation situation, the sensor device 40 is installed in a machine wall 52 of a machine that is made of copper or steel, for example. The sensor device 40 can be used as in 10 be built directly into the machine wall 52 as shown. It is also possible for the sensor device 40 to be accommodated in a sensor housing, the end face of which points towards the object O and is aligned parallel to the cover surface 48a of the first shielding element 44 .

In einem Betrieb der Sensorvorrichtung 40 ist das Objekt O in einem Abstand D zur Spulenebene der Anregungsspule 12 auf der Seite der offenen Deckfläche 48a des Abschirmelements 44 und, sofern vorhanden, der Stirnfläche des Sensorgehäuses, angeordnet. Es wird eine axiale Position P des Objekts O bezüglich der Sensorvorrichtung 40 mittels der Sensorelektronik 42 bestimmt, indem beispielsweise Techniken gemäß EP 3 108 211 B1 oder CN 106104210 B , bei denen eine Bestimmung der Position P aus einer vorzeichenrichtig demodulierte Amplitude der Spannung in den Empfangsspulen 14 mittels Multi-Phasen-Quadratur-Demodulation durchgeführt wird, und/oder US 2017/344878 A1 angewendet werden, bei denen eine gemeinsame Auswertung zweier Signale mittels eines künstlichen neuronalen Netzes durchgeführt wird.When the sensor device 40 is in operation, the object O is arranged at a distance D from the coil plane of the excitation coil 12 on the side of the open top surface 48a of the shielding element 44 and, if present, the front surface of the sensor housing. An axial position P of the object O with respect to the sensor device 40 is determined by means of the sensor electronics 42, for example by using techniques according to FIG EP 3 108 211 B1 or CN 106104210B , in which the position P is determined from an amplitude of the voltage in the receiving coils 14, demodulated with the correct sign, by means of multi-phase quadrature demodulation, and/or U.S. 2017/344878 A1 be used in which a joint evaluation of two signals is carried out using an artificial neural network.

In 11A, 11B ist die vorzeichenbehaftete Amplitude der Quadratur-Phase-Komponente der induzierten Spannung in den Empfangsspulen 14a, 14b, 14c der Spulenanordnung 10 in 10 in Abhängigkeit der Objektposition P gezeigt. Eine x-Achse 70 gibt dabei die Position P in Millimeter und eine y-Achse 72 gibt die Amplitude der Spannung in willkürlichen Einheiten an. Kurven 74a1-74a3, 74b1-74b3, 74c1-74c3 in 11A bezeichnen die Amplitude der Spannungen in den drei Empfangsspulen 14a-14c für eine Sensorvorrichtung 40 ohne Abschirmelement 44 in einem nicht in der Maschinenwand 60 integrierten Zustand (durchgezogene Linie), in einer Stahl-Maschinenwand (gestrichelte Linie) und in einer Kupfer-Maschinenwand eingebauten Zustand (gepunktete Linie). In 11B sind entsprechende Kurven 76a1-76a3, 76b1-76b3, 76c1-76c3 für die Sensorvorrichtung 40 mit Abschirmelement in nicht eingebauten Zustand, in einer Stahl- und in einer Kupfer-Maschinenwand 60 eingebauten Zustand gezeigt. Man erkennt, dass die objektbezogene Signalkomponente aufgrund des Abschirmelements 44 deutlich sinkt, während von einer nicht signifikanten Objektsignalreduktion bei der Kupfer-Maschinenwand 60 abgesehen die Signalgröße von der Einbausituation nicht mehr beeinflusst wird. Es tritt auch ein Offset für die erste und dritte Empfangsspule 14a, 14c auf. Dieser Offset ist allerdings deterministisch und unabhängig von dem Vorhandensein bzw. der Art der Maschinenwand 60. Nach der Subtraktion des Offsets, der typisch für die nicht eingebaute Situation ohne Objekt für jede Spulen ist, wird eine objektpositionsabhängige und von der Einbausituation unabhängige, nur die Objektposition charakterisierende Signalgruppe erhalten (11C)In 11A , 11B is the signed amplitude of the quadrature-phase component of the induced voltage in the receiving coils 14a, 14b, 14c of the coil arrangement 10 in 10 shown as a function of the object position P. An x-axis 70 indicates the position P in millimeters and a y-axis 72 indicates the amplitude of the voltage in arbitrary units. Curves 74a1-74a3, 74b1-74b3, 74c1-74c3 in 11A denote the amplitude of the voltages in the three receiving coils 14a-14c for a sensor device 40 without shielding element 44 in a state not integrated in the machine wall 60 (solid line), in a steel machine wall (dashed line) and in a copper machine wall installed state (dotted line). In 11B Corresponding curves 76a1-76a3, 76b1-76b3, 76c1-76c3 are shown for the sensor device 40 with shielding element in the uninstalled state, in a steel and in a copper machine wall 60 installed state. It can be seen that the object-related signal component decreases significantly due to the shielding element 44, while apart from an insignificant object signal reduction in the case of the copper machine wall 60, the signal size is no longer influenced by the installation situation. There is also an offset for the first and third receiving coils 14a, 14c. However, this offset is deterministic and independent of the presence or type of machine wall 60. After the subtraction of the offset, which is typical for the non-installed situation without an object for each coil, an object position-dependent and independent of the installation situation, only the object position get characterizing signal group ( 11C )

12 zeigt die ermittelte longitudinale Position des Objekts in Abhängigkeit der reellen Objektposition P bei einer Anwendung des Mehrphasen-Quadratur-Demodulationsalgorithmus aus EP 3 108 211 B1 . Eine x-Achse 76 gibt die Objektposition in Millimeter und eine y-Achse 78 gibt die ermittelte longitudinale Position in willkürlichen Einheiten an. Kurven 80a-80c zeigen die ermittelte longitudinale Position für von der Stirnfläche eines Sensorgehäuses senkrecht gemessenen Objektabstände von 0,25 mm, 0,5 mm und 1 mm. Man sieht, dass der Messbereich linear ist und ca. 10 mm zentriert um einen Mittelpunkt der Empfangsspulen 14 reicht. Die Spulenanordnung 10 ist dabei hinter der Stirnfläche und parallel mit der Stirnfläche angeordnet. 12 shows the determined longitudinal position of the object depending on the real object position P in an application of the multi-phase quadrature demodulation algorithm EP 3 108 211 B1 . An x-axis 76 indicates the object position in millimeters and a y-axis 78 indicates the determined longitudinal position in arbitrary units. Curves 80a-80c show the determined longitudinal position for object distances of 0.25 mm, 0.5 mm and 1 mm measured perpendicularly from the end face of a sensor housing. It can be seen that the measuring range is linear and extends approximately 10 mm centered around a midpoint of the receiving coils 14 . The coil arrangement 10 is arranged behind the end face and parallel to the end face.

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Claims (18)

Spulenanordnung (10) für eine Sensorvorrichtung (40) zum Ermitteln einer Position (P) eines Objekts (O) entlang einer sensitiven Achse (S) der Sensorvorrichtung (40), wobei die Spulenanordnung (10) aufweist: - eine flache Anregungsspule (12) und - zumindest eine Empfangsspule (14), deren Windungen (18) um Windungen (16) der Anregungsspule (12) herum, im Wesentlichen senkrecht zur den Windungen (16) der Anregungsspule (12) und symmetrisch bezüglich einer Mittellinie (M) der Anregungsspule (12) angeordnet sind, die entlang der sensitiven Achse (S) der Sensorvorrichtung (10) verläuft.Coil arrangement (10) for a sensor device (40) for determining a position (P) of an object (O) along a sensitive axis (S) of the sensor device (40), the coil arrangement (10) having: - a flat excitation coil (12) and - at least one receiving coil (14) whose windings (18) around windings (16) of the excitation coil (12), substantially perpendicular to the windings (16) of the excitation coil (12) and symmetrically with respect to a center line (M) of the excitation coil ( 12) are arranged, which runs along the sensitive axis (S) of the sensor device (10). Spulenanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die Anregungsspule (12) einen länglichen Querschnitt aufweist und die Mittellinie (M) entlang einer Längserstreckung der Anregungsspule (12) verläuft.Coil arrangement (10) after claim 1 wherein the excitation coil (12) has an elongate cross section and the center line (M) runs along a longitudinal extension of the excitation coil (12). Spulenanordnung (10) nach Anspruch 2, wobei die Anregungsspule (12) entlang der Mittellinie (M) gesehen gebogen ausgebildet ist.Coil arrangement (10) after claim 2 , wherein the excitation coil (12) seen along the center line (M) is curved. Spulenanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Windungsdichte der zumindest einen Empfangsspule (14) entlang der Mittellinie (M) der Anregungsspule (12) gesehen in zumindest einem Teilbereich (34) der zumindest einen Empfangsspule (14) oder entlang der gesamten zumindest einen Empfangsspule (14) gesehen konstant ist.Coil arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein a winding density of the at least one receiving coil (14) seen along the center line (M) of the excitation coil (12) in at least a partial region (34) of the at least one receiving coil (14) or along the entire seen at least one receiving coil (14) is constant. Spulenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Windungsdichte der zumindest einen Empfangsspule (14) entlang der Mittellinie (M) der Anregungsspule (12) gesehen variiert.Coil arrangement (10) according to one of Claims 1 until 4 , wherein a winding density of the at least one receiving coil (14) varies along the center line (M) of the excitation coil (12). Spulenanordnung (10) nach Anspruch 5, wobei die Windungsdichte der zumindest einen Empfangsspule (14) entlang der Mittellinie (M) der Anregungsspule (12) gesehen zwischen einer ersten Windungsdichte und einer zweiten, unterschiedlichen Windungsdichte abwechselt.Coil arrangement (10) after claim 5 , wherein the winding density of the at least one receiving coil (14) along the center line (M) of the excitation coil (12) alternates between a first winding density and a second, different winding density. Spulenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Windungsrichtung der zumindest einen Empfangsspule (14) entlang der Mittellinie (M) der Anregungsspule (12) in zumindest einem Teilbereich (34) der zumindest einen Empfangsspule (14) oder in der gesamten zumindest einen Empfangsspule (14) gleich ist.Coil arrangement (10) according to one of Claims 1 until 6 , wherein a winding direction of the at least one receiving coil (14) along the center line (M) of the excitation coil (12) is the same in at least a partial area (34) of the at least one receiving coil (14) or in the entire at least one receiving coil (14). Spulenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Windungsrichtung der zumindest einen Empfangsspule (14) entlang der Mittellinie (M) der Anregungsspule (12) gesehen variiert.Coil arrangement (10) according to one of Claims 1 until 7 , wherein a direction of winding of the at least one receiving coil (14) varies as seen along the center line (M) of the excitation coil (12). Spulenanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüchen, wobei die Sensorvorrichtung (40) eine Mehrzahl von Empfangsspulen (14) aufweist, wobei Windungen (18) der Mehrzahl von Empfangsspulen (14) um die Windungen der Anregungsspule (12) herum, im Wesentlichen senkrecht zur den Windungen (16) der Anregungsspule (12) und symmetrisch bezüglich der Mittellinie (M) der Anregungsspule (12) angeordnet sind.Coil arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the sensor device (40) has a plurality of receiving coils (14), wherein turns (18) of the plurality of receiving coils (14) around the turns of the excitation coil (12) around, substantially perpendicular to the windings (16) of the excitation coil (12) and symmetrically with respect to the center line (M) of the excitation coil (12). Spulenanordnung (10) nach Anspruch 9, wobei Empfangsspulen (14) der Mehrzahl von Empfangsspulen (14) entlang der Mittellinie (M) der Anregungsspule (12) gesehen voneinander beabstandet angeordnet sind und um unterschiedliche Teilbereiche (24) der Windungen (16) der Anregungsspule (12) herum angeordnet sind.Coil arrangement (10) after claim 9 , wherein receiving coils (14) of the plurality of receiving coils (14) are arranged spaced apart from one another as seen along the center line (M) of the excitation coil (12) and are arranged around different partial regions (24) of the turns (16) of the excitation coil (12). Spulenanordnung (10) nach Anspruch 9 oder 10, wobei eine erste Empfangsspule (14) der Mehrzahl von Empfangsspulen (14) um eine zweite Empfangsspule (14) der Mehrzahl von Empfangsspulen (14) herum angeordnet ist, wobei ein Abschnitt (34) der ersten Empfangsspule (14) mit einer ersten Windungsdichte einen Abschnitt (36) der zweiten Empfangsspule (14) mit einer zweiten, unterschiedlichen Windungsdichte bedeckt.Coil arrangement (10) after claim 9 or 10 , wherein a first receiving coil (14) of the plurality of receiving coils (14) is arranged around a second receiving coil (14) of the plurality of receiving coils (14), wherein a section (34) of the first receiving coil (14) having a first turn density has a Section (36) of the second receiving coil (14) covered with a second, different winding density. Spulenanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüchen, wobei die Anregungsspule (12) als Drahtspule ausgebildet ist oder wobei die Anregungsspule (12) in und/oder auf einer Schicht (28b, 28c) oder mehreren Schichten (28b 28c) einer Leiterplatte (26) ausgebildet ist.Coil arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the excitation coil (12) is designed as a wire coil or wherein the excitation coil (12) is in and/or on a layer (28b, 28c) or several layers (28b 28c) of a printed circuit board (26 ) is trained. Spulenanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüchen, wobei die zumindest eine Empfangsspule (14) als Drahtspule ausgebildet ist oder wobei die zumindest eine Empfangsspule (14) in und/oder auf mehreren Schichten (28a-28d) einer Leiterplatte (26) ausgebildet ist.Coil arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the at least one receiving coil (14) is designed as a wire coil or wherein the at least one receiving coil (14) is designed in and/or on several layers (28a-28d) of a printed circuit board (26). . Sensorvorrichtung (40) zum Ermitteln einer Position (P) eines Objekts (O) entlang einer sensitiven Achse (S) der Sensorvorrichtung (40), wobei die Sensorvorrichtung (40) eine Spulenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.Sensor device (40) for determining a position (P) of an object (O) along a sensitive axis (S) of the sensor device (40), wherein the sensor device (40) has a coil arrangement (10) according to one of Claims 1 until 13 having. Sensorvorrichtung (40) nach Anspruch 14, wobei die Sensorvorrichtung (40) eine separate Schaltung (43a, 43b) für jede Empfangsspule (14) aufweist.Sensor device (40) after Claim 14 , wherein the sensor device (40) has a separate circuit (43a, 43b) for each receiving coil (14). Sensorvorrichtung (40) nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Sensorvorrichtung (40) ein seitliches, elektrisch leitfähiges Abschirmelement (44) aufweist, das die Spulenanordnung (10) seitlich durchgängig und symmetrisch umgibt.Sensor device (40) after Claim 14 or 15 , wherein the sensor device (40) has a lateral, electrically conductive shielding element (44) has, which surrounds the coil arrangement (10) laterally continuously and symmetrically. Sensorvorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Sensorvorrichtung (40) ein planares, elektrisch leitfähiges Abschirmelement (50) aufweist, das auf einer Seite der Spulenanordnung (10) angeordnet ist, die vom Objekt (O) abgewandt ist.Sensor device (40) according to one of Claims 14 until 16 , wherein the sensor device (40) has a planar, electrically conductive shielding element (50) which is arranged on a side of the coil arrangement (10) which faces away from the object (O). Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung (40) zum Ermitteln einer Position (P) eines Objekts (O) entlang einer sensitiven Achse (S) der Sensorvorrichtung (40), wobei die Sensorvorrichtung (40) eine Spulenanordnung (10) aufweist, die eine flache Anregungsspule (12) und zumindest eine Empfangsspule (14) aufweist, deren Windungen (18) um Windungen (16) der Anregungsspule (12) herum, im Wesentlichen senkrecht zur den Windungen (16) der Anregungsspule (12) und symmetrisch bezüglich einer Mittellinie (M) der Anregungsspule (12) angeordnet sind, die entlang der sensitiven Achse (S) der Sensorvorrichtung (10) verläuft, wobei das Objekt (O) beabstandet zur Sensorvorrichtung entlang einer Bewegungslinie entlang der sensitiven Achse (S) bewegt wird.Method for operating a sensor device (40) to determine a position (P) of an object (O) along a sensitive axis (S) of the sensor device (40), the sensor device (40) having a coil arrangement (10) which has a flat excitation coil (12) and at least one receiving coil (14), the windings (18) of which surround windings (16) of the excitation coil (12), essentially perpendicular to the windings (16) of the excitation coil (12) and symmetrically with respect to a center line (M ) of the excitation coil (12) which runs along the sensitive axis (S) of the sensor device (10), the object (O) being moved at a distance from the sensor device along a line of movement along the sensitive axis (S).
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