DE102020128013B4 - 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

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
- eine Mehrzahl von Empfangsspulen (14), wobei Windungen (18) der Mehrzahl von Empfangsspulen (14) 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 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.

Figure DE102020128013B4_0000
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) comprising:
- a flat excitation coil (12) and
- a plurality of receiving coils (14), wherein turns (18) of the plurality of receiving coils (14) are arranged around turns (16) of the excitation coil (12), substantially perpendicular to the turns (16) of the excitation coil (12) and symmetrical with respect to a center line (M) of the excitation coil (12) which runs along the sensitive axis (S) of the sensor device (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 portion (34) of the first receiving coil (14) with a first winding density covers a portion (36) of the second receiving coil (14) with a second, different winding density.
Figure DE102020128013B4_0000

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 inductive position sensors, an alternating magnetic field of an excitation coil acts on an electrically conductive and/or magnetizable object in such a way that electrical eddy currents and an alternating magnetic polarization are generated in the object, which generate a temporally changing magnetic field of the object. 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(s).

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 name 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 circuit board technology. The coil system has an excitation coil and several structured planar receiving coils. In order to determine the object position with respect to the sensor device, the vertical component of the object's magnetic field acting on the coil plane is used. The amplitude and phase of the induced voltage in each of the receiving coils depends on the object position. The measuring range extends to around 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 ist nacheinanderfolgend mit einem gleichen Kondensator kontaktiert, um entsprechende LC-Schwingkreis zu bilden. Jeder Schwingkreis wird 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 BIP CD2-B014-01-EP02 and BIP LD2-T040-02-S4 from Balluff GmbH, Neuhausen a.d.F., for example, are made with coils wound in a row on a ferrite core. Each coil is successively contacted with an identical capacitor to form a corresponding LC oscillating circuit. Each oscillating circuit is set into oscillation by a common oscillator circuit, and a relative object position is determined from the recorded oscillation amplitudes. A measuring range is approximately 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 along the receiving coils, which leads to a limited measuring range to sensor size ratio. Miniaturization of such types of sensor devices is therefore difficult to achieve.

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 into an environment because installing the sensor device into the environment requires providing a metal-free zone around the sensor device.

DE 198 33 276 A1 beschreibt ein Sondensystem auf Wirbelstrombasis, das zur Überprüfung insbesondere der Kanten von gewalzten Stahlstäben dient. Es erfasst Defekte sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung solcher Stäbe. Die Sonde sieht eine Kombination mehrerer Spulen vor, mit welchen magnetische Fluss-Differenzen detektierbar sind. Die simultane Empfindlichkeit der Sonde in Quer- und Längsrichtung des Prüflings wird dadurch erzwungen, dass diese eine Drehbewegung um ihre Hochachse ausführt. Als Antrieb für die Drehbewegung dient ein elektrischer Asynchronmotor. Die elektrischen Speise- und Empfangssignale des Sondensystems werden über einen Drehtransformator berührungslos ein- und ausgekoppelt. DE 198 33 276 A1 describes an eddy current-based probe system that is used to check the edges of rolled steel bars in particular. It detects defects in both the transverse and longitudinal directions of such bars. The probe provides a combination of several coils with which magnetic flux differences can be detected. The simultaneous sensitivity of the probe in the transverse and longitudinal directions of the test object is forced by the fact that it performs a rotary movement around its vertical axis. An electric asynchronous motor serves as the drive for the rotary movement. The electrical supply and reception signals of the probe system are coupled in and out without contact via a rotary transformer.

DE 198 55 685 A1 beschreibt einen induktiven linearen Kodierer, der einen Positionssensor und eine Skala aufweist, die in Bezug aufeinander beweglich sind. Der Sensor weist eine Treiberleitung auf, welcher ein Wechselstrom zugeführt wird, und eine Gruppe von Messleitungen in rechten Winkeln zur Treiberleitung in derselben Ebene. Die Skala ist so ausgebildet, daß sie ein längliches Substrat aufweist, welches eine Oberfläche aufweist, auf welcher eine Reihenanordnung von Mustern in Form leitfähiger geschlossener Schleifen periodisch in gleichen Intervallen angeordnet ist. Diese leitfähigen geschlossenen Schleifen sind linear auf dem Substrat in der Richtung der Relativbewegung angeordnet. Jede Schleife besteht im Wesentlichen aus einem Empfangsleitersegment und einstückig mit diesem ausgebildeten Signalsendeleitersegmenten. Das Empfangsleitersegment ist für die Erzeugung eines induzierten Stroms infolge eines ersten variablen Magnetfelds verantwortlich, welches von der Treiberspule erzeugt wird. Die Senderleitersegmente dienen zur Erzeugung zweiter variabler Magnetfelder, die eine einander entgegengesetzte Polarität aufweisen und senkrecht zum ersten Magnetfeld verlaufen. Die Erzeugung derartiger zweiter Magnetfelder führt zum Fluß eines induzierten Stroms in der Messleitung des Sensors, der wiederum als Positionsmessausgangsstrom dient. DE 198 55 685 A1 describes an inductive linear encoder having a position sensor and a scale which are movable with respect to each other. The sensor comprises a drive line to which an alternating current is supplied and a group of measuring leads at right angles to the drive line in the same plane. The scale is designed to comprise an elongated substrate having a surface on which a series arrangement of patterns in the form of conductive closed loops is periodically arranged at equal intervals. These conductive closed loops are arranged linearly on the substrate in the direction of relative movement. Each loop consists essentially of a receiving conductor segment and signal transmitting conductor segments formed integrally therewith. The receiving conductor segment is responsible for generating an induced current due to a first variable magnetic field generated by the drive coil. The transmitting conductor segments serve to generate second variable magnetic fields which have an opposite polarity and are perpendicular to the first magnetic field. The generation of such second magnetic fields leads to the flow of an induced current in the measuring line of the sensor, which in turn serves as the position measurement output current.

DE 23 26 391 A beschreibt eine Prüfspulenanordnung zum Abtasten der sich relativ zu ihr bewegenden Oberfläche eines metallischen Prüfteils auf Fehler, bestehend aus einer von einem Wechselstrom durchflossenen Erregerspulenanordnung, die wenigstens über einen Teil der Oberfläche ein die Oberfläche senkrecht durchsetzendes, in ihr Wirbelströme induzierendes, homogenes magnetisches Wechselfeld erzeugt, und aus einer im Bereich des magnetischen Wechselfeldes in der Nähe der Oberfläche angeordneten Empfängerspulenanordnung, deren Spulenachse senkrecht zur Richtung der relativen Bewegung und senkrecht zur Richtung des magnetischen Wechselfeldes orientiert ist, wobei die Empfängerspulenanordnung aus wenigstens zwei getrennten Empfängerspulen mit senkrecht zur Richtung der relativen Bewegung und senkrecht zur Richtung des magnetischen Wechselfeldes orientierten Spulenachsen besteht, wobei die Signale jeweils zweier Empfängerspulen elektrisch gegensinnig einander überlagert werden und wobei die in die Richtung der Spulenachsen fallende Komponente des Abstandes dieser beiden Empfängerspulen voneinander etwa dem doppelten Abstand der Orte der beiden Spannungsmaxima entspricht, die in einer der beiden Empfängerspulen bei deren Bewegung in Richtung der Spulenachse über einen quer zu dieser Richtung verlaufenden Fehler entstehen würde. DE 23 26 391 A describes a test coil arrangement for scanning the surface of a metallic test part moving relative to it for defects, consisting of an excitation coil arrangement through which an alternating current flows, the a homogeneous alternating magnetic field is generated over at least part of the surface, which penetrates the surface perpendicularly and induces eddy currents in it, and a receiver coil arrangement arranged in the region of the alternating magnetic field near the surface, the coil axis of which is oriented perpendicular to the direction of the relative movement and perpendicular to the direction of the alternating magnetic field, the receiver coil arrangement consisting of at least two separate receiver coils with coil axes oriented perpendicular to the direction of the relative movement and perpendicular to the direction of the alternating magnetic field, the signals from two receiver coils being electrically superimposed on one another in opposite directions, and the component of the distance between these two receiver coils falling in the direction of the coil axes corresponds approximately to twice the distance between the locations of the two voltage maxima which would arise in one of the two receiver coils when it moved in the direction of the coil axis over an error running transversely to this direction.

DE 699 36 262 T2 beschreibt einen Induktionssensorkopf zum Detektieren eines in einem umgebenden Medium eingebettet eisenhaltigen oder nicht eisenhaltigen elektrisch leitenden Objekts mit einer Feldspule mit einem kleinen Axial-Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis und einem Paar von koaxial angeordneten Abtastspulen, wobei deren gemeinsame Achse orthogonal zu der Achse der Feldspule orientiert ist, und wobei die Abtastspulen gleich beabstandet von dem Zentrum der Feldspule angeordnet sind und innerhalb der gleichen magnetischen Flussrichtung liegen, welcher aus der Feldspule bei einer Anregung durch einen elektrischen Strom herausgeht, wobei ein koaxial angeordnetes Zwillingspaar von Feldspulen mit einem gegenseitigen Abstand versehen ist, und zwei Zwillingspaare von koaxial angeordneten Abtastspulen mit einem kleinen Durchmesser im Vergleich zu dem Durchmesser der Feldspulen und einer höheren Induktivität als die der Feldspulen mit orthogonal angeordneter Achse vorgesehen und in einer zentralen Ebene parallel zu und in etwa dem halben Abstand zwischen den Wicklungsebenen der zwei Feldspulen angeordnet sind. DE 699 36 262 T2 describes an induction sensor head for detecting a ferrous or non-ferrous electrically conductive object embedded in a surrounding medium, comprising a field coil with a small axial length to diameter ratio and a pair of coaxially arranged sensing coils, their common axis being oriented orthogonal to the axis of the field coil, and wherein the sensing coils are arranged equidistant from the center of the field coil and lie within the same magnetic flux direction which emerges from the field coil when excited by an electric current, wherein a coaxially arranged twin pair of field coils is provided with a mutual spacing, and two twin pairs of coaxially arranged sensing coils with a small diameter compared to the diameter of the field coils and a higher inductance than that of the field coils with an orthogonally arranged axis are provided and arranged in a central plane parallel to and at approximately half the distance between the winding planes of the two field coils.

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 therefore a need for a new concept and a new mode of operation of a sensor device which has a small size and at the same time a large measuring range, for example a size of about 15 mm in length and about 10 mm in width with a measuring range of about 10 mm.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the 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, for example a size of about 15 mm in length and about 10 mm in width with a measuring range of about 10 mm.

Die Erfindung ist durch eine Spulenanordnung gemäß Anspruch 1, eine Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 12 und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 16 definiert. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.The invention is defined by a coil arrangement according to claim 1, a sensor device according to claim 12 and a method for operating a sensor device according to claim 16. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.

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, wobei die Spulenanordnung eine Mehrzahl von Empfangsspulen aufweist, wobei Windungen der Mehrzahl von Empfangsspulen um die Windungen der Anregungsspule herum, im Wesentlichen senkrecht zur den Windungen der Anregungsspule und symmetrisch bezüglich der Mittellinie der Anregungsspule angeordnet sind, wobei eine erste Empfangsspule der Mehrzahl von Empfangsspulen um eine zweite Empfangsspule der Mehrzahl von Empfangsspulen herum angeordnet ist, wobei ein Abschnitt der ersten Empfangsspule mit einer ersten Windungsdichte einen Abschnitt der zweiten Empfangsspule mit einer zweiten, unterschiedlichen Windungsdichte bedeckt.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, wherein the coil arrangement has a flat excitation coil and at least one receiving coil, the windings of which are arranged around windings of the excitation coil, substantially 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, wherein the coil arrangement has a plurality of receiving coils, wherein windings of the plurality of receiving coils are arranged around the windings of the excitation coil, substantially perpendicular to the windings of the excitation coil and symmetrically with respect to the center line of the excitation coil, wherein a first receiving coil of the plurality of receiving coils is arranged around a second receiving coil of the plurality of receiving coils, wherein a portion of the first receiving coil with a first winding density covers a portion of the second receiving coil with a second, different winding density.

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 that can be defined by the flat excitation coil. The center line of the excitation coil can run in the coil plane 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 turns of the at least one receiving coil can be arranged around the turns of the excitation coil and can be mechanically supported on them. Alternatively, both coils can be arranged at a distance from one another (for example slightly), so that the excitation coil does not mechanically support the at least one receiving coil, but only one layer of a coil body of the at least one receiving coil. capture coil with respect to the excitation coil. Furthermore, the turns of the at least one receiving coil can run essentially perpendicular to the turns of the excitation coil and thus essentially perpendicular to the center line of the excitation coil. The at least one receiving coil can be arranged symmetrically around the center line of the excitation coil, so that the turns of the at least one receiving coil, viewed in plan view of the at least one receiving coil, can extend the same distance from the center line in the coil plane on both sides of the center line or can be at a maximum distance.

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 such 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 temporal profile. 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 therefore form a temporally changing magnetic field, 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 turns of the at least one receiving coil can be arranged substantially 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.Preferably, the excitation coil can 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 the object moves into an overlap region of the receiving coil in the case of a receiving coil at a substantially constant distance from the coil plane or from an end face of a housing of the sensor device that accommodates the coil arrangement and faces the object, the sinusoidal amplitude of the induced voltage in this receiving coil can first increase and then, as the object moves toward a center point of the receiving coil, drop to zero. If the object moves further beyond a center point of the receiving coil, the amplitude of the voltage can increase again with the opposite sign or opposite phase. 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 a length of the partial area of the excitation coil that includes the receiving coil is relatively small in relation to a distance between the two extreme values, the previously described antisymmetrical course of the signed amplitude is called the "single characteristic curve" of the narrow receiving coil. If more than one receiving coil is present, the distance between the object and the front face of the sensor device along the line of movement of the object does not necessarily have to be constant; 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 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 EP3 108 211 B1 or CN106104210B , in which a determination of the position from the correctly demodulated induced voltage(s) in the receiving coil(s) is carried out by means of multi-phase quadrature demodulation, and/or techniques according to US 2017/344878 A1 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(s) induced in the receiving coil, the sensor device can have a short response time, which can also be suitable for determining a position of a rotating object (e.g. a spindle) with a rotation speed of, for example, more than 40,000 revolutions per minute (e.g. a rotating spindle).

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 in particular have a shield, 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 implemented in a small size and with a favorable measuring range to sensor size ratio. In particular, it may be possible to implement a sensor device with a size of approximately 15 mm in length and approximately 10 mm in width with a measuring range of approximately 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 windings of the excitation coil can run along their longitudinal extension. The line of movement 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 along its longitudinal extension (in particular semicircular or with another monotonic curvature characteristic). The line of movement or the trajectory of the object can then also be bent 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 variety 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 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 seen along the center line of the excitation coil. This allows the coil arrangement to be structurally very simple. The length of the partial area or the length of the receiving coil, as 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 along the center line of the excitation coil. The variation of the winding density along the center line can, for example, follow a periodic location-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, viewed along the center line of the excitation 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.

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 designed to be very simple in terms of 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 along the center line of the excitation coil. In other words, the winding direction along the center line can be opposite in different sub-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 characteristics of the coil parts, each with a sign according to the winding direction. The induced voltage can therefore 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 that the winding direction in the successive wound sub-areas (or coil parts) can be opposite. The characteristic curve of such a receiving coil, i.e. the object position dependency or in other words the location dependency of the correctly signed demodulated voltage induced in the receiving coil, can then be a sum of the spatially offset individual characteristic curves of the coil parts, each with a sign according to the winding direction. For example, a receiving coil with periodically arranged essentially identical coil parts (up to the coil ends) can have an essentially periodic characteristic curve.

Die Sensorvorrichtung weist eine Mehrzahl von Empfangsspulen auf, 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 sind. 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.The sensor device has a plurality of receiving coils, wherein windings of the plurality of receiving coils are arranged around the windings of the excitation coil, substantially perpendicular to the windings of the excitation coil and symmetrically with respect to the center line of the excitation coil. 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 along its center line can be covered with a receiving coil and each receiving coil can have a clear individual characteristic curve, so that overall a good position determination over a large area can be possible.

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 can be arranged at a distance from one another along the center line of the excitation coil and can be arranged around different sub-areas of the windings of the excitation coil. If the plurality of receiving coils are arranged with sufficiently overlapping individual characteristics, an approximately equally good position determination for the object can be carried out at reduced construction costs by evaluating the induced voltage of two or more adjacent receiving coils. For example, if the multi-phase quadrature demodulation algorithm, as described in CN106104210B is applied, the individual characteristics can overlap sufficiently if the distance between centers of the adjacent receiving coils can definitely be less than the longitudinal distance between the extreme points of the individual characteristics.

Eine erste Empfangsspule (oder optional mehrere erste Empfangsspulen) der Mehrzahl von Empfangsspulen ist um eine zweite Empfangsspule (oder optional mehrere zweite Empfangsspulen) der Mehrzahl von Empfangsspulen herum angeordnet, und ein Abschnitt oder optional mehrere Abschnitte der ersten Empfangsspule(n) mit einer ersten Windungsdichte, beispielsweise einer hohen Windungsdichte oder einen geringen Windungsdichte, bedeckt bzw. optional können einen Abschnitt oder optional 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.A first receiving coil (or optionally a plurality of first receiving coils) of the plurality of receiving coils is arranged around a second receiving coil (or optionally a plurality of second receiving coils) of the plurality of receiving coils, and a section or optionally a plurality of sections of the first receiving coil(s) is covered with a first winding density, for example a high winding density or a low winding density, or optionally a section or optionally a plurality of sections of the second receiving coil(s) can be covered with a second winding density, for example a low winding density or a high winding density. A coil arrangement with an excitation coil and two similar receiving coils (with or without a change in the winding direction) that are offset by a quarter period along the center line of the excitation coil and have periodic sub-regions as described above can be used to carry out high-resolution incremental position determination.

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 previously described for the at least one receiving coil. In this case, another or more other receiving coils of the plurality of receiving coils can be designed with the same or varying winding density as previously described 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 previously described for the at least one receiving coil. In this case, another or several other receiving coils of the plurality of receiving coils can have a varying or identical winding direction as previously described 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 that all receiving coils of the plurality of receiving coils 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 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 may be formed as a (wound) wire coil or the excitation coil may be formed in and/or on one or more layers of a 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 formed 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 formed in and/or on several layers of a 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 circuit board technology, which can have a limited maximum number of turns in terms of production technology, can be manufactured particularly cost-effectively. Due to the limited number of turns of the receiving coil manufactured using 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 a circuit board for the excitation coil can increase the technically producible number of turns of the excitation coil. One coil half can be in a first layer and another coil half in a directly adjacent second layer. layer. In the case of excitation coils with many turns, these can also be manufactured in three or more layers of the 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 embodiment, the excitation coil can be manufactured using circuit board technology (i.e. in or on one or more layers of a circuit board), while the receiving coil or coils can be designed as a wire coil that can be arranged around the circuit board. This hybrid implementation of the coil arrangement can be particularly cost-effective and at the same time enable a large voltage amplitude for position determination.

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, wherein the sensor device comprises 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 further comprise sensor electronics with which the position determination can be carried out.

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. This can simplify position determination because the signals from the different receiving coils can be recorded.

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 that surrounds the coil arrangement laterally continuously and symmetrically. The coil arrangement can be arranged completely behind the cover surface of the lateral shield. The shielding element can be arranged substantially perpendicular to the front surface of the sensor device. An opening in the shielding element, which can point towards the object during operation of the sensor device, can be arranged parallel to the front surface 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 side shielding element and the planar shielding element can be made from one part. The planar shielding element can be arranged substantially parallel to the front surface 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 into a magnetic environment, for example in a machine wall, without a disturbing 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, wobei die Spulenanordnung eine Mehrzahl von Empfangsspulen aufweist, wobei Windungen der Mehrzahl von Empfangsspulen um die Windungen der Anregungsspule herum, im Wesentlichen senkrecht zur den Windungen der Anregungsspule und symmetrisch bezüglich der Mittellinie der Anregungsspule angeordnet sind, wobei eine erste Empfangsspule der Mehrzahl von Empfangsspulen um eine zweite Empfangsspule der Mehrzahl von Empfangsspulen herum angeordnet ist, wobei ein Abschnitt der ersten Empfangsspule mit einer ersten Windungsdichte einen Abschnitt der zweiten Empfangsspule mit einer zweiten, unterschiedlichen Windungsdichte bedeckt.According to a third aspect, a method is provided for operating a sensor device for determining a position of an object along a sensitive axis of the sensor device, wherein the sensor device has a coil arrangement which has a flat excitation coil and at least one receiving coil, the windings of which are arranged around windings of the excitation coil, substantially perpendicular to the windings of the excitation coil and symmetrically with respect to a center line of the excitation coil which runs along the sensitive axis of the sensor device, wherein the object is moved at a distance from the sensor device along a line of movement which runs substantially perpendicular to the windings of the at least one receiving coil, wherein the coil arrangement has a plurality of receiving coils, wherein windings of the plurality of receiving coils are arranged around the windings of the excitation coil, substantially perpendicular to the windings of the excitation coil and symmetrically with respect to the center line of the excitation coil, wherein a first receiving coil of the plurality of receiving coils is arranged around a second receiving coil of the plurality of receiving coils, wherein a portion of the first receiving coil with a first winding density surrounds a portion of the second Receiving coil covered with a second, different winding density.

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.When the excitation coil is excited with an oscillating current, the phase of the oscillation of the magnetic field of the object can define a phase in which the voltage induced in the receiving coil(s) oscillates with the largest amplitude. In a position determination, this phase of the induced voltage can be defined as the "detection phase" and the detected voltage amplitude can be defined as a signed quantity that can have the same amplitude as the amplitude of the induced voltage in the detection phase and a sign according to the polarity of the induced voltage in the detection phase.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

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. They show:
  • 1 schematically shows a coil arrangement according to a first embodiment of 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 schematically show an excitation coil and a first and second receiving coil for a coil arrangement according to a fourth embodiment in plan view of various 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 the 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 3 similar coil arrangement with three receiving coils and sensor electronics;
  • 10 shows schematically a shielding element and the coil arrangement of the sensor device in 9 ;
  • 11A , 11B , 11C show schematic diagrams showing quadrature phase amplitudes of detected voltages in receiving coils of the coil arrangement in 9 which is in a machine wall or is freestanding, 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 in 1 The coil arrangement shown in FIG. 1 and provided with the reference number 10 according to a first exemplary embodiment of 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 a substantially rectangular cross-section viewed in a coil plane along its longitudinal extent. Turns 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. Turns 18 of the receiving coil 14 designed as a wound wire coil are arranged around the turns 16 of the excitation coil 12 so that the turns 16 run perpendicular to the elongated turns 18 viewed along the center line M. The turns 18 are further arranged symmetrically with respect to the center line M of the excitation coil 12, so that the turns 18 are centered around the center line M when viewed on the coil plane, and short turn end sections provided on both sides of the center line M, at which respective turns bend, are equidistant from the center line. The receiving coil 14 only covers a narrow longitudinal region of the excitation coil 12 when viewed along the center line M. Alternatively, the receiving coil 14 can be wide and cover most or all of the excitation coil when viewed along the center line M. A winding density of the receiving coil 14 is constant when viewed along the center line M. Alternatively, the winding density can vary along the center line M of the excitation coil 12. Furthermore, a winding direction of the turns 18 of the receiving coil 14 is constantly the same when viewed along the center line M. A sensor electronics of the sensor device can be connected to terminals 20a, 20b of the excitation coil 12 or 22a, 22b of the receiving coil 14, which are designed as solder contacts at an end region 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 distance from a plane of the coil arrangement 10 on one side of the coil arrangement at a fixed distance D. It is understood that if the sensor device has a housing in which the coil arrangement 10 is accommodated, the distance D can be dimensioned between an end face of the housing facing the object O and the object. The object O can be moved along a fixed line of movement that runs parallel to the center line M that corresponds 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 1 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 receiving coils 14a, 14b, the receiving coils 14a, 14b cover the partial areas 24b, 24d. A winding density of the two receiving coils 14a, 14b is constant in each case 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 shown coil arrangement 10 according to the third embodiment is similar to the coil arrangement 10 in 1 However, the excitation coil 14 is not designed as a wire coil, but as conductor tracks (shown in dashed lines) in a circuit board 26. The circuit board 26 is designed in one layer, so that the windings 16 are structured in a surface 27 of the 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 surfaces in and/or on the 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 circuit board 26. Turns 18a, 18b and 18c of the receiving coils 14a, 14b and 14c are realized in partial areas 24b, 24d, 24f of turns 16 of the excitation coil 12, while partial areas 24a, 24c, 24e, 24g of the turns 16 of the excitation coil 12 are uncovered. A winding density of the three receiving coils 14a-14c is constant in each case as seen along the center line M.

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 arrangement 10 shown is similar to the coil arrangement 10 in 3 The circuit board 26 is formed by means of four superimposed layers 28a-28d. 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 through-plating 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 solder contacts. Furthermore, the coil arrangement 10 has only two receiving coils 14a-14b instead of three receiving coils 14a-14c. Windings 18a, 18b of the first and second receiving coils 14a, 14b 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 penetrate the layers 28b, 28c by means of through-platings or vias 31a-31d. A winding density of the two receiving coils is constant as seen along the longitudinal axis L. External connections 32a-32d, which are designed as cables with solder contacts at the ends, 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 embodiment is similar to the coil arrangement 10 in 2 However, the excitation coil 12 does not have a rectangular cross-section, but rather a semicircularly curved cross-section in the coil plane. Instead of two spaced-apart receiving coils 14a, 14b, three spaced-apart receiving coils 14a-14c with a constant winding density of the receiving coils 14a, 14b, 14c are provided, which can each be connected to a different circuit of a sensor electronics via their respective connections 22a-22f. The object O can be moved at a fixed distance D from the coil plane parallel to the center line M. The object O can also be moved 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, 34o, 34q der ersten Empfangsspule 14a groß ist und die Windungsdichte in voneinander beabstandeten Teilbereichen 34b, 34d, 34f, 34h, 34j, 34l, 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 in 6 The coil arrangement 10 shown is similar to the coil arrangement 10 in 1 However, the coil arrangement has a first and second receiving coil 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. Turns 18a, 18b of the two receiving coils 14a, 14b extend along an entire longitudinal extent 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 as seen along a center line M of the excitation coil 12, so that the winding density in spaced-apart partial regions 34a, 34c, 34e, 34g, 34i, 34k, 34m, 34o, 34q of the first receiving coil 14a is large and the winding density in spaced-apart partial regions 34b, 34d, 34f, 34h, 34j, 34l, 34n, 34p, 34r of the first receiving coil 14a is small. The second receiving coil 14b is wound around the first receiving coil 14a and is designed and arranged similarly to the first receiving coil 14a. However, a winding density of the second receiving coil 14b along the As seen along the center line M, the winding density in spaced-apart sub-regions 36a, 36c, 36e, 36g, 36i, 36k, 36m, 36o, 36q, 36s of the second receiving coil 18b is small and the winding density in spaced-apart sub-regions 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 winding density change. A sensor device with such a coil arrangement 10 is particularly advantageous if the period corresponds to approximately twice the distance between the two extreme values of the individual characteristic curve of a densely wound coil part, so that the spatial course of the signed amplitudes from the two receiving coils resembles a sine-cosine function pair, which is common in the technology of high-resolution incremental encoders.

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 7 The section of the coil arrangement 10 shown represents an alternative winding type 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, sub-areas 34b, 34d with high winding density and sub-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 in 8th shown coil arrangement 10 according to a seventh embodiment is similar to the coil arrangement 10 in 1 formed. The excitation coil 12 is shown schematically. However, the coil arrangement 10 has two receiving coils 14a, 14b, which are arranged in opposite directions as seen along the center line M. Both receiving coils 14a, 14b have a winding density that varies as seen 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 greater winding density than an inner partial area 34b or 36b of the first receiving coil 14a or 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 region 34a, 36a of the receiving coils 14a, 14b has a winding direction opposite to the partial regions 34b, 36b. In addition, the winding direction of the partial region 34a is opposite to the winding direction of the partial region 36a, and the winding direction of the partial region 34b is opposite to the winding direction of the partial region 36b. The first receiving coil 14a and the second receiving coil 14b are additionally partially inserted into one another, so that a line piece 39a of the first receiving coil runs 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 runs between the partial areas 36a, 36b 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 is understood that the winding direction of at least one or all of the receiving coils 14 of the 1 to 7 shown coil arrangements 10 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 in 9 The sensor device 40 shown has a coil arrangement 10 according to 1 to 8 and the sensor electronics, now provided with the reference number 42, via the connections 20, 22 and 30, 32 are electrically coupled to the respective coils 12, 14. For illustration, the coil arrangement 10 is shown in 3 shown. However, the excitation coil 12 is designed as a wire coil. The excitation coil 12 is connected via its connections 20a, 20b to a circuit 43a of the sensor electronics 42. Each of the receiving coils 14a, 14b and 14c is connected via corresponding connections 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f to a separate circuit 43b, 43c, 43d of the sensor electronics 42 for determining the position of the object O. The circuits 43b-43d are designed as demodulators. Alternatively, the three receiving coils 14a-14c can be connected to just one circuit, which is designed as a demodulator and which can be operated in a time-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 As shown, the coil arrangement 10 is optionally arranged in a first electrically conductive shielding element 44 of the sensor device 40, which surrounds the coil arrangement 10 laterally and continuously in such a way that the coil arrangement 10 extends centrally in side walls 46a-46d of the shielding element 44. An open cover surface 48a of the first shielding element 44 faces the object. The sensor device 10 also has a second planar, electrically conductive shielding element 50, which is designed as a shielding plate and covers as completely as possible an opening in a further cover surface 48b of the first shielding element 44, which faces away from the object O. The first and second shielding elements 44, 50 are designed in one piece, but can alternatively also be provided as two components. The first and second shielding elements 44 can be made, for example, from copper or from low-magnetizable stainless steel. In an installation situation, the sensor device 40 is installed in a machine wall 52 of a machine, which is made of copper or steel, for example. The sensor device 40 can be installed as in 10 shown be installed directly in the machine wall 52. It is also possible that the sensor device 40 is accommodated in a sensor housing whose front side faces 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 cover surface 48a of the shielding element 44 and, if present, the end face 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 EP3 108 211 B1 or CN106104210B , in which a determination of the position P is carried out from a correctly demodulated amplitude of the voltage in the receiving coils 14 by means of multi-phase quadrature demodulation, and/or US 2017/344878 A1 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 11 B 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 depending on 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 11 B Corresponding curves 76a1-76a3, 76b1-76b3, 76c1-76c3 are shown for the sensor device 40 with shielding element in the non-installed state, in a steel and in a copper machine wall 60 installed state. It can be seen that the object-related signal component drops significantly due to the shielding element 44, while apart from a non-significant object signal reduction in the case of the copper machine wall 60, the signal size is no longer influenced by the installation situation. An offset also occurs for the first and third receiving coils 14a, 14c. However, this offset is deterministic and independent of the presence or type of the machine wall 60. After subtracting the offset, which is typical for the non-installed situation without an object for each coil, an object position-dependent and installation situation-independent signal group characterizing only the object position is obtained ( 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 as a function of the real object position P when applying the multiphase quadrature demodulation algorithm from EP3 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 front face of a sensor housing. It can be seen that the measuring range is linear and extends approximately 10 mm centered on a center point of the receiving coils 14. The coil arrangement 10 is arranged behind the front face and parallel to the front face.

Claims (16)

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 - eine Mehrzahl von Empfangsspulen (14), wobei Windungen (18) der Mehrzahl von Empfangsspulen (14) 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 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) 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) comprising: - a flat excitation coil (12) and - a plurality of receiving coils (14), wherein turns (18) of the plurality of receiving coils (14) are arranged around turns (16) of the excitation coil (12), substantially perpendicular to the turns (16) of the excitation coil (12) and symmetrical with respect to a center line (M) of the excitation coil (12) which runs along the sensitive axis (S) of the sensor device (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) with a first winding density has a section (36) of the second receiving coil (14) is covered with a second, different winding density. 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) according to Claim 1 , wherein the excitation coil (12) has an elongated 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) according to Claim 2 , wherein the excitation coil (12) is curved when viewed along the center line (M). 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) is constant 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 at least one receiving coil (14). 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 the 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) according to Claim 5 , wherein the winding density of the at least one receiving coil (14) alternates between a first winding density and a second, different winding density as viewed along the center line (M) of the excitation coil (12). 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 the 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 region (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 the Claims 1 until 7 , wherein a winding direction of the at least one receiving coil (14) varies along the center line (M) of the excitation coil (12). Spulenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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) according to one of the Claims 1 until 8th , wherein receiving coils (14) of the plurality of receiving coils (14) are arranged spaced apart from one another along the center line (M) of the excitation coil (12) and are arranged around different partial regions (24) of the windings (16) of the excitation coil (12). 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 formed in and/or on a layer (28b, 28c) or several layers (28b 28c) of a printed circuit board (26). 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 formed 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 11 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) comprises a coil arrangement (10) according to one of the Claims 1 until 11 having. Sensorvorrichtung (40) nach Anspruch 12, wobei die Sensorvorrichtung (40) eine separate Schaltung (43a, 43b) für jede Empfangsspule (14) aufweist.Sensor device (40) according to Claim 12 , wherein the sensor device (40) has a separate circuit (43a, 43b) for each receiving coil (14). Sensorvorrichtung (40) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Sensorvorrichtung (40) ein seitliches, elektrisch leitfähiges Abschirmelement (44) aufweist, das die Spulenanordnung (10) seitlich durchgängig und symmetrisch umgibt.Sensor device (40) according to Claim 12 or 13 , wherein the sensor device (40) has a lateral, electrically conductive shielding element (44) which surrounds the coil arrangement (10) laterally continuously and symmetrically. Sensorvorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, 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 the Claims 12 until 14 , wherein the sensor device (40) comprises a planar, electrically conductive shielding element (50) arranged on a side of the coil arrangement (10) facing 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 eine Mehrzahl von Empfangsspulen (14) aufweist, wobei Windungen (18) der Mehrzahl von Empfangsspulen (14) 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, 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.Method for operating a 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) which has a flat excitation coil (12) and a plurality of receiving coils (14), wherein turns (18) of the plurality of receiving coils (14) are arranged around turns (16) of the excitation coil (12), substantially perpendicular to the turns (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), wherein the object (O) is moved at a distance from the sensor device along a line of movement along the sensitive axis (S), 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 portion (34) of the first receiving coil (14) having a first winding density covers a portion (36) of the second receiving coil (14) having a second, different winding density.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2326391A1 (en) 1973-05-24 1974-12-12 Foerster Inst Dr Friedrich TEST COIL ARRANGEMENT FOR SCANNING THE SURFACE OF A METALLIC TEST PART
DE19855685A1 (en) 1997-12-03 1999-06-10 Mitutoyo Corp Inductive position measuring unit of inductive linear coder
DE19833276A1 (en) 1998-07-24 2000-02-03 Busch Dieter & Co Prueftech Eddy current probe for testing edges of metal objects
DE69936262T2 (en) 1999-10-13 2008-02-07 Hilti Ag Inductive measuring head for metal detectors
CN106104210A (en) 2014-02-18 2016-11-09 巴鲁夫公司 Position measurement apparatus and the method for operating position measurement equipment
US20170344878A1 (en) 2014-12-16 2017-11-30 Balluff Gmbh Contactless position/distance sensor having an artificial neural network and method for operating the same

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2326391A1 (en) 1973-05-24 1974-12-12 Foerster Inst Dr Friedrich TEST COIL ARRANGEMENT FOR SCANNING THE SURFACE OF A METALLIC TEST PART
DE19855685A1 (en) 1997-12-03 1999-06-10 Mitutoyo Corp Inductive position measuring unit of inductive linear coder
DE19833276A1 (en) 1998-07-24 2000-02-03 Busch Dieter & Co Prueftech Eddy current probe for testing edges of metal objects
DE69936262T2 (en) 1999-10-13 2008-02-07 Hilti Ag Inductive measuring head for metal detectors
CN106104210A (en) 2014-02-18 2016-11-09 巴鲁夫公司 Position measurement apparatus and the method for operating position measurement equipment
EP3108211B1 (en) 2014-02-18 2019-11-06 Balluff GmbH Position measuring apparatus
US20170344878A1 (en) 2014-12-16 2017-11-30 Balluff Gmbh Contactless position/distance sensor having an artificial neural network and method for operating the same

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BALLUFF GmbH: Induktive Sensoren - BIP CD2-B014-01-EP02. Neuhausen a.d.F., 2020 (BIP0008_0.28_2020-10-14). 3 S. - Datenblatt
BALLUFF GmbH: Induktive Sensoren - BIP ED2-B133-03-S75. Neuhausen a.d.F., 2020 (BIP000R_0.2_2020-03-0). 3 S. - Datenblatt
BALLUFF GmbH: Induktive Sensoren - BIP LD2-T040-02-S4. Neuhausen a.d.F., 2020 (BIP0004_0.29_2020-03-05). 4 S. - Datenblatt

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