DE102021106095A1

DE102021106095A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelposition eines Drehelementes

Info

Publication number: DE102021106095A1
Application number: DE102021106095.8A
Authority: DE
Inventors: Eike Guthörl; Alexander Sommerfeld; Felix Henningsen
Original assignee: Sensitec GmbH
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2021-03-12
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2022-09-15
Anticipated expiration: 2041-03-13
Also published as: DE102021106095B4; DE102021106095B8

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung der absoluten Winkelposition eines um eine Drehachse (3) drehbaren Drehelementes (2) nach dem Nonius-Prinzip, mit wenigstens einer magnetischen Detektionseinrichtung (19) und einer an dem Drehelement (2) drehfest angeordneten, ringförmigen Magnetkodierung, die unter Ausbildung nebeneinanderliegender Magnetspuren (16, 17) über ihren gesamten Umfang mit aufeinander folgenden Magnetpolen (N, S) kodiert sind, deren Magnetfelder (18) zur Bestimmung der Winkelposition des Drehelementes (2) von der Detektionseinrichtung (19) erfasst und ausgewertet werden, wobei die Anzahl der Magnetpole (N, S) auf den Magnetspuren (16, 17) identisch ist und wenigstens eine Magnetspur (16, 17) Magnetpole (N, S) unterschiedlicher Teilung aufweist, wobei in nebeneinanderliegenden Umfangsabschnitten der beiden Magnetspuren (16, 17) die Teilung der Magnetpole (N, S) voneinander abweicht. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetkodierung wenigstens zwei Magnetkodierer (4, 5) aufweist, wobei die wenigstens ein Detektionseinrichtung (19) jeweils wenigstens einen Sensor (6, 7; 10, 11) für jeden Magnetkodierer (4, 5) enthält, wobei der jeweils wenigstens einen Sensor (6, 7; 10, 11) als polangepasster Längensensor ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der absoluten Winkelposition eines Drehelementes nach dem Nonius-Prinzip mittels magnetischer Sensoren, die die Magnetfelder von Magnetpolen einer Magnetkodierung, bspw. in Form eines Encoders/Magnetkodierers detektieren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Insbesondere betrifft die Erfindung Vorrichtungen mit magnetoresistiven Sensoren, wie AMR-, GMR-, TMR- oder Hall-Sensoren. AMR-Sensoren arbeiten nach dem anisotropen magnetoresistiven Effekt, GMR-Sensoren nach dem riesenmagnetoresistivem Effekt, TMR-Sensoren nach dem tunnelmagnetoresistiven Effekt und Hall-Sensoren nach dem Halleffekt.
Aus der EP 1 353 151 A1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Dabei sind zwei als Encoder dienende, magnetisch codierte Ringe vorgesehen, denen jeweils ein Hall-Sensor gegenüberliegt. Die beiden Ringe weisen jeweils eine Vielzahl von Magnetpolpaaren auf, die über den Umfang gleichmäßig verteilt sind. Der eine, als Encoder dienende Ring weist ein Magnetpolpaar mehr auf als der andere Ring, sodass anhand des Versatzes des jeweiligen Magnetpolpaares des einen Rings gegenüber einem benachbarten Magnetpolpaar des anderen Ringes die absolute Drehposition ermittelt werden kann. Dies stellt das sogenannte magnetische Nonius-Prinzip dar.
Auch aus der EP 2 244 069 A1 , der EP 2 116 813 B1 , der JP 2009069092 A und der EP 2 966 414 A1 sind Rotationserkennungsvorrichtungen mit mehreren Magnetkodierern in einer Ringform bekannt, die koaxial angeordnet sind und die eine unterschiedliche Anzahl von Polen aufweisen.
Die Magnetpole sind jeweils gleichmäßig über den Ringumfang verteilt. Jedem Magnetkodierer ist ein Magnetsensor bzw. ein aus mehreren Sensorelementen zusammengesetzter Liniensensor zugeordnet, welcher zum Erkennen von Positionsinformationen innerhalb eines Magnetpolpaares des entsprechenden Magnetkodierers vorgesehen ist.
Nachteilig bei den bekannten Rotationserkennungsvorrichtungen ist die Limitierung im Durchmesser auf Grund von gegebenen Poldimensionen. Ein Hochskalieren des Durchmessers des Drehelementes geht zu Lasten der Messgenauigkeit und erfordert zudem eine Neuentwicklung aller Komponenten des Messsystems.
Aus der JP 6 207 978 B2 ist eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels eines rotierenden Körpers nach dem Vernier- bzw. Nonius-Prinzip bekannt, welche alle Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist. Dabei weisen die dortigen Detektionseinrichtungen drei Sensoren auf, mit welchen die Drehwinkel des sich rotierenden Drehelementes anhand der Signale der Sensoren bestimmt werden können. Mithilfe der Sensoren wird anhand des durch das Magnetfeld der Magnetkodierer erzeugten Signals der Sensoren direkter Drehwinkel des dortigen Drehelementes bestimmt. Problematisch bei dieser Vorrichtung ist es, dass der dritte Sensor um 90° zum zweiten versetzt sein muss, so dass für jeden Durchmesser immer eine neue Mechanik erzeugt werden muss. Daher müssen für Drehelemente unterschiedlicher Dimensionen, insbesondere unterschiedlicher Durchmesser jeweils eine gesonderte Auswerteelektronik sowie ein gesonderter Auswertealgorithmus eingesetzt werden, damit die Sensoren auf das Drehelement beziehungsweise dessen Mechanik abgestimmt werden und eine Winkelbestimmung möglich ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass ein einfaches Hochskalieren des Durchmessers des Drehelementes zu Lasten der Messgenauigkeit geht, was auch hier eine Neuentwicklung aller Komponenten des Messsystems erfordert.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art zu überwinden.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1.
Danach ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der absoluten Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Drehelementes nach dem Nonius-Prinzip vorgesehen. Die Vorrichtung weist wenigstens eine magnetische Detektionseinrichtung und eine ringförmige Magnetkodierung auf, die drehfest an dem Drehelement angeordnet ist. Die Magnetkodierung erstreckt sich unter Ausbildung axial, ggf. mit Abstand nebeneinanderliegender Magnetspuren, über den Umfang des Drehelementes. Die Anordnung der Magnetspuren axial nebeneinander impliziert nicht, dass die Magnetspuren bündig aneinander liegen müssen. In der Regel werden die Magnetspuren einen gewissen Abstand zueinander aufweisen. Die Magnetspuren sind in Umfangsrichtung mit aufeinanderfolgenden Magnetpolen kodiert, wobei aufgrund der Nichtexistenz von magnetischen Monopolen klar ist, dass die Magnetpole immer als Magnetpolpaare, bestehend aus einem magnetischen Nordpol und einem magnetischen Südpol realisiert sind. Die Magnetfelder der Magnetpole werden von der Detektionseinrichtung zur Bestimmung der Winkelposition des Drehelementes erfasst und ausgewertet. Dabei ist die Anzahl der Magnetpole auf den Magnetspuren über den gesamten Umfang des Drehelementes gesehen identisch und wenigstens eine Magnetspur weist Magnetpole unterschiedlicher Teilung auf, wobei in axial, d.h. bezogen auf die Drehachse des Drehelementes nebeneinanderliegenden Umfangsabschnitten der Magnetspuren die Teilung der Magnetpole voneinander abweicht. Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Magnetkodierung wenigstens zwei Magnetkodierer aufweist, wobei die wenigstens ein Detektionseinrichtung jeweils wenigstens einen Sensor für jeden Magnetkodierer enthält und wobei der jeweils wenigstens einen Sensor als polangepasster Längensensor ausgebildet ist, der an die Länge der Magnetpole angepasst ist.
Denkbar ist es auch, dass die Magnetkodierer koaxial zueinander angeordnet sind.
Unter „Teilung“ ist die jeweilige Länge aufeinanderfolgender Magnetpole in Drehrichtung zu verstehen. Mit kleiner werdender Teilung nimmt die Anzahl der Magnetpole bezogen auf eine bestimmte Bogenlänge zu, wobei die Gesamtanzahl der Magnetpole auf einem Magnetkodierer aufgrund der Tatsache, dass eine magnetischer Nordpol nur zusammen mit einem magnetischen Südpol existiert, immer gerade ist. Auch wenn im Folgenden von Magnetpolen die Rede ist, ist es daher klar, dass dann immer ein Magnetpol eines Magnetpolpaares gemeint ist.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau ist es erstmals möglich, eine vollständige 360°-Messung der Winkelposition unter Verwendung von Sensoren zu verwirklichen, die nach dem AMR-Prinzip arbeiten. Bei derartigen Sensoren erfolgt die Ermittlung der Drehposition mit Bezug auf einzelne Magnetpole eines Magnetpolpaares und nicht auf Magnetpolpaare.
Zudem wird es dank der Erfindung erstmals möglich, den Durchmesser des Drehelementes zu vergrößern, ohne dass eine grundlegende Veränderung der Detektionseinrichtung, insbesondere der Dimensionen auf einem Sensor-Chip, erforderlich wird. Dabei bleiben auch die Poldimensionen unberührt, wodurch die Messgenauigkeit erhalten bleibt.
Insbesondere dadurch, dass die Magnetkodierung wenigstens zwei Magnetkodierer aufweist, wobei die wenigstens eine Detektionseinrichtung jeweils wenigstens einen Sensor für jeden Magnetkodierer enthält und wobei der jeweils wenigstens eine Sensor als polangepasster Längensensor ausgebildet ist, ist gewährleistet, dass die Messung unabhängig von der Dimension beziehungsweise dem Durchmesser des verwendeten Drehelements bleibt. Der Drehwinkel lässt sich dann in einfacher Weise durch die Anzahl und die Länge der Magnetpole innerhalb der Magnetkodierer bestimmen, ohne dass eine Neuentwicklung oder grundlegende Anpassung der Auswerteelektronik und -algotrithmen erfolgen muss.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Sensor für jeden Magnetkodierer wenigstens zwei Messbrücken aufweist, welche jeweils mehrere, bevorzugt vier in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung zusammengeschalteten elektrische Messelemente aufweisen, die unter Magnetfeldeinfluss ihr messbares elektrische Ausgangssignal, beispielsweise ihre elektrische Ausgangsspannung ändern. Derartige Brückenschaltungen haben sich bereits in vielfältiger Weise in der Sensortechnik bewährt und sind ohne größeren Aufwand sowohl ökonomisch als auch ökologisch ressourcenschonend herstellbar. Überraschenderweise hat sich dabei herausgestellt, dass gute und ausreichende Ergebnisse hinsichtlich der Messgenauigkeit erzielt werden, wenn jede der Wheatstone'schen Brückenschaltungen genau vier zusammengeschalteten elektrische Messelemente aufweist. Derartige Wheatstone'schen Brückenschaltungen mit genau vier zusammengeschalteten elektrische Messelemente sind die einfachste Art solcher Messbrücken und lassen sich daher besonders einfach herstellen.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn zwei Messbrücken um ein Viertel einer elektrischen Periodenlänge voneinander beabstandet sind, wobei die elektrischen Periodenlänge abhängig von einer magnetischen Periodenlänge λ beziehungsweise der Länge zweier aufeinanderfolgender Magnetpole ist. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung bauen die Sensoren der erfindungsgemäßen Vorrichtungen nicht nur besonders kompakt. Vielmehr wird bei einer solchen Anordnung auch eine sehr hohe Messgenauigkeit hinsichtlich der Bewegung der Magnetpole und somit der Winkelbestimmung erreicht. Bevorzugt arbeiten Sensoren nach dem anisotropen magnetoresistiven Effekt, dem sogenannten AMR-Effekt oder dem riesenmagnetoresistivem Effekt, dem sogenannten GMR-Effekt, oder nach dem tunnelmagnetoresistiven Effekt, dem sogenannten TMR-Effekt, arbeiten.
Die konkrete Abhängigkeit elektrischer zu magnetischer Periodenlänge ergibt sich aus dem verwendeten MR-Effekt für den Sensor. Für den AMR-Effekt ist die elektrische Periodenlänge gleich die Hälfte der magnetischen Periodenlänge λ, also λ/2, und für den GMR-Effekt und den TMR-Effekt ist die elektrische Periodenlänge gleich der magnetischen Periodenlänge λ. Den Messbrücken wird dabei ein um ein Viertel der elektrischen Periodenlänge versetztes Messsignal aufgeprägt, was die Messgenauigkeit erhöht. Hierdurch kann eine Bestimmung der Winkelposition mit einer Genauigkeit innerhalb eines Magnetpols erfolgen.
Die Vorrichtung kann so ausgebildet sein, dass die Magnetkodierung in ein auf dem Drehelement gehaltenen Trägerteil integriert ist. Dabei weist das Trägerteil ggf. mit Abstand nebeneinanderliegende Magnetspuren auf. Wie bereits vorstehend ausgeführt, impliziert die Anordnung nicht, dass die Magnetspuren bündig aneinander liegen müssen. In der Regel werden die Magnetspuren einen gewissen Abstand zueinander aufweisen. Alternativ kann die Vorrichtung auch separate, auf dem Drehelement gehaltene Magnetkodierer aufweisen, in die die Magnetkodierung integriert ist.
In diesem Sinne können die Magnetkodierer in dem gemeinsamen Trägerteil, also in einem einzigen Bauteil ausgebildet werden, welches bspw. mit zwei oder mehreren nebeneinanderliegenden Magnetspuren codiert wird. Die Magnetkodierer können also einstückig miteinander verbunden sein. Hierdurch vereinfacht sich die Herstellung und Montage der Magnetkodierer.
Alternativ können die Magnetkodierer als separate Bauteile ausgebildet werden, die auf dem Drehelement, bezogen auf dessen Drehachse, nebeneinander oder koaxial zueinander angeordnet werden, sodass auch die entsprechenden Magnetspuren nebeneinander angeordnet sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Magnetpole auf den Magnetspuren unmittelbar aneinandergrenzend ausgebildet sein, wobei dann die unterschiedliche Teilung durch in Drehrichtung unterschiedliche Längen der Magnetpole gegeben ist.
Der besondere Vorteil dieses Aufbaus liegt in einer in Umfangsrichtung durchgehenden Magnetisierung der Magnetkodierer. Beim Auslesen der in Drehrichtung aufeinanderfolgenden Magnetfelder können undefinierte Sensorzustände bzw. Messwerte und daraus resultierende Fehler vermieden oder zumindest auf ein ausreichend niedriges Maß reduziert werden. Derartige Fehler können durch Lücken zwischen einzelnen Magnetpolen auftreten. Im Bereich derartiger Lücken kann es vorkommen, dass ein Sensor mangels ausreichender Anregung durch ein Magnetfeld in einen undefinierten Zustand gerät.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die erste Magnetspur als Master-Spur mit Magnetpolen gleichbleibender Teilung und die weiteren Magnetspuren als Nonius-Spuren mit Magnetpolen unterschiedlicher Teilung ausgebildet werden.
Hierbei dient die erste Magnetspur, die Master-Spur, der Bestimmung der Drehposition bereits mit hoher Genauigkeit. Mithilfe der Nonius-Spur beziehungsweise Nonius-Spuren wird zunächst der entsprechende Umfangsabschnitt des Drehelementes ermittelt, welcher der Messstelle der Detektionseinrichtung gegenüberliegt. Eine genauere Positionsbestimmung erfolgt dann unter Verwendung von Master-Spur und Nonius-Spur beziehungsweise Nonius-Spuren. Die exakte Bestimmung der Drehposition wird schließlich anhand einer Messung der Magnetfelder der Master-Spur vorgenommen.
Die erste Magnetspur ist über den kompletten Umfang hinweg mit Magnetpolen codiert, die jeweils die gleiche Länge in Drehrichtung bzw. den gleichen Abstand zueinander in Drehrichtung, also eine gleichbleibende Teilung über den Umfang aufweisen. Der Vorteil dieser Variante liegt in der erzielbaren hohen Messgenauigkeit.
Eine Magnetspur mit Magnetpolen gleicher Teilung kann es zudem ermöglichen, bei Bedarf von einer Absolutwertmessung auf eine inkrementelle Messung umzustellen. Dies ist beispielsweise bei hohen Drehgeschwindigkeiten von Vorteil, um die Auswerteelektronik der Detektionseinrichtung zu entlasten und dennoch einen Wert des Drehwinkels messen zu können. Dadurch, dass alle Magnetspuren dieselbe Anzahl an Magnetpolen aufweisen, kann dann wenigstens eine der Nonius-Spuren als Rückfall-Ebene für eine inkrementelle Messung dienen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann wenigstens eine der weiteren Magnetspuren in wenigstens zwei Ringsegmente mit Magnetpolen unterschiedlicher Teilung gegliedert sein und die erste Magnetspur eine Teilung ihrer Magnetpole aufweisen, die sich jeweils von den Teilungen der Magnetpole der zweiten Magnetspur unterscheidet. Bei diesem Aufbau ist innerhalb jedes Ringsegmentes jeder weiteren Magnetspur eine gleichmäßige Teilung der Magnetpole gegeben. Über den Umfang gesehen weisen die einzelnen Ringsegmente jeder weiteren Magnetspur jedoch jeweils eine eigene Teilung auf. Die Teilung der Magnetpole der ersten Magentspur, der Master-Spur unterscheidet sich von den Teilungen auf jeder weiteren Magnetspur, den Nonius-Spuren und die Teilung der Nonius-Spuren ist in den einzelnen Ringsegmenten unterschiedlich.
Hierbei kann die Kodierung eines ersten Ringsegmentes mit einem Magnetpol desselben Typs beginnen und enden, beispielsweise mit einem Nordpol, wobei dann die Kodierung eines zweiten Ringsegmentes mit einem entgegengesetzten Magnetpol, beispielsweise einem Südpol beginnt und endet. Auf diese Weise ist über den gesamten Umfang des Magnetkodierers eine gerade Anzahl an Magnetpolen gegeben. Alternativ ist es allerdings auch möglich, in jedem Ringsegment eine gerade Anzahl von Polen, also vollständige Polpaare, anzuordnen, wobei dann die Anzahl der Polpaare je Ringsegment unterschiedlich ist.
Bei Verwendung einer ungeraden Anzahl der Magnetpole in den einzelnen Ringsegmenten wird es nunmehr möglich, eine 360°-Messung unter Verwendung von AMR-Sensoren auch für die Master-Spur vorzunehmen. Die Master-Spur wird dabei in zwei oder mehrere gleichgroße Ringsegmente mit übereinstimmender Teilung ihrer Magnetpole unterteilt. Beispielsweise weisen die Ringsegmente der Master-Spur jeweils 20 Magnetpole auf, beginnend jeweils also mit einem Nordpol und endend mit einem Südpol. An den Südpol am Ende eines dieser Ringsegmente schließt sich dann ein Nordpol des zweiten Ringsegmentes an. Die Nonius-Spur weist demgegenüber beispielsweise ein Ringsegment mit 19 Magnetpolen und ein Ringsegment mit 21 Magnetpolen auf. Das Ringsegment mit den 19 Magnetpolen kann dann beispielsweise mit einem Nordpol beginnen und enden. Das Ringsegment mit den 21 Magnetpolen beginnt und endet bei diesem Beispiel jeweils mit einem Südpol, sodass sich über den Umfang des Drehelementes gesehen immer ein Nordpol an einen Südpol anschließt, wobei die einzelnen Pole definierte Pollängen aufweisen.
Grundgedanke dieser Ausgestaltung der Erfindung ist es, dass sich die Teilung der Magnetpole auf dem ersten Ringsegment sowohl von der Teilung der Magnetpole des wenigstens zweiten Ringsegmentes als auch von der Teilung der Magnetpole des Magnetkodierers der Master-Spur unterscheidet.
Durch die unterschiedlichen Teilungen der Magnetpole der wenigstens zwei Ringsegmente lässt sich die grobe Position des Drehelementes bestimmen, also beispielsweise, in welchem „Sektor“ sich der Sensor über dem Drehelement befindet. Durch die sich voneinander unterscheidenden Teilungen der Magnetpole der ersten Magnetspur und wenigstens einer der weiteren Magnetspuren wird dann die Positionsbestimmung nach dem Nonius-Prinzip möglich.
Hierdurch kann der Durchmesser des Drehelementes deutlich größer ausfallen, da die Dimensionen der Magnetpole nicht mit dem größer werdenden Umfang des Drehelementes wachsen müssen. Vielmehr werden mehrere unterschiedlich ausgebildete Ringsegmente mit voneinander abweichender Teilung der Magnetpole in Umfangsrichtung als hintereinander geschaltete Nonius-Segmente verwendet.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann wenigstens einer der weiteren Magnetspuren in eine gerade Anzahl an unterschiedlichen Ringsegmenten gegliedert sein und die Detektionseinrichtung zumindest für die diese Magnetspur wenigstens einen Sensor aufweisen, der nach dem AMR-Effekt arbeitet. Auf diese Weise kann eine vollständige 360°-Messung der Drehposition besonders einfach unter Verwendung von AMR-Sensoren erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Detektionseinrichtung wenigstens zwei Messstellen für die wenigstens eine weitere Magnetspur mit Magnetpolen unterschiedlicher Teilung aufweist, wobei die Messstellen in Umfangsrichtung aufeinander folgend, also hintereinander liegend angeordnet und um mehrere Magnetpole, insbesondere wenigstens um 2 Magnetpole, zueinander beabstandet sind. Die Beabstandung um wenigstens zwei Magnetpole bezieht sich dabei auf den Abstand der Mitte eines ersten Sensorchips beziehungsweise Sensors zur Mitte eines zweiten Sensorchips beziehungsweise Sensors innerhalb einer Messstelle, wenn jeder Sensorchip beziehungsweise Sensor im selben Moment nur einen Magnetpol detektieren kann. Bei Messstellen mit Sensoren, die gleichzeitig mehrere, d.h. „n“ in Umfangsrichtung hintereinanderliegende Magnetpole der Magnetspur detektieren können, beträgt der Abstand wenigstens (n+2)-Magnetpole in Umfangsrichtung.
Hierdurch können Messfehler vermieden werden, die am Übergang zwischen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Ringsegmenten auftreten können, da sichergestellt ist, dass immer wenigstens eine Messstelle eine Messung in einem „gültigen“ Bereich durchführt.
Grundsätzlich ist es möglich, bei der Aufteilung der Magnetspur in zwei Ringsegmente, bspw. in zwei in Umfangsrichtung gleichlange Ringsegmente, eine zuverlässige Messung mit nur einer Messstelle durchzuführen. Die Verwendung einer zweiten oder mehrerer Messstellen macht die Messung jedoch noch deutlich zuverlässiger.
Bei Aufteilung der Magnetspur in mehr als zwei Ringsegmente, werden wenigstens zwei Messstellen verwendet.
Eine mögliche Weiterbildung dieses Gedankens sieht vor, dass ein Ringsegment der zweiten Magnetspur als sog. Blindsegment ausgebildet ist. Unter „Blindsegment“ ist ein Segment zu verstehen, dass zwar mit einer magnetischen Kodierung ausgestattet ist, diese Kodierung jedoch weder als Master-Spur noch als Nonius-Spur von der Detektionseinrichtung interpretiert wird.
Das Blindsegment weist eine um das mindestens Zweifache, vorzugsweise das Vier- bis Achtfache kleinere Teilung der Magnetpole auf als das oder die übrigen Ringsegmente der zweiten Magnetspur bzw. der ersten Magnetspur.
Auf diese Weise kann der magnetisierte Nutzbereich des Ringsegmentes deutlich reduziert werden. Bei dem Einsatz eines Blindsegmentes werden wenigstens zwei Messstellen der Detektionseinrichtung an unterschiedlichen Umfangspositionen entlang der Drehrichtung des Drehelementes angeordnet. Denkbar ist es, bei Verwendung von nur zwei Messstellen der Detektionseinrichtung den Nutzbereich der Nonius-Spur bis nahezu auf die Hälfte des Umfangs des Drehelementes zu reduzieren. Dadurch kann eine deutliche Vergrößerung eines Maßstabsdurchmessers für die betreffende Messung erreicht werden. Bei Verwendung weiterer am Umfang angeordneter Detektionseinrichtungen kann sich das Blindsegment auch weiter über den Umfang des Drehelementes erstrecken, sodass der Nutzbereich der Nonius-Spur noch weiter verkleinert werden kann.
Zweck der Magnetisierung des Blindsegmentes ist es, der Detektionseinrichtung stets ein eindeutiges magnetisches Signal zur Verfügung zu stellen und zu verhindern, dass ein nicht magnetischer Teil eines Ringsegmentes sich mit der Zeit magnetisiert und so Fehler bei der Messung erzeugt werden.
Vorzugsweise erstreckt sich das Blindsegment in Umfangsrichtung über einen Winkel von weniger als 180°, wodurch eine Messung mit nur zwei Messstellen möglich ist. Auf diese Weise liegt stets wenigstens eine Messstelle einem gültigen Bereich der Magnetspuren gegenüber. Diejenige Messstelle, die dem Blindsegment gegenüberliegt, kann für die Zwecke der Drehwinkelermittlung zeitweise ausgeblendet werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Detektionseinrichtung wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei Messstellen aufweist. Hierdurch kann die Zuverlässigkeit der Messung gesteigert werden.
Die Messstellen können dabei in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sein.
Durch eine gleichmäßige Verteilung der Messstellen über den Umfang wird es möglich, den Rundlauf des Drehelementes bzw. eine Nutation gleichzeitig mit der Messung des Drehwinkels zu bestimmen oder zu überwachen. Hierzu können die an jeder Magnetspur ermittelten Messwerte einer jeden Messstelle miteinander verglichen werden. Einflüsse, die sich aufgrund ändernder Messabstände zwischen der Messstelle und der Umfangsfläche der Magnetspur ergeben, können so bestimmt und kompensiert werden. Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher ein Blindsegment eingesetzt wird, das sich bspw. über die Hälfte des Umfangs des Drehelementes erstreckt, also über 180°, werden drei Messstellen verwendet. Diese sind mit Winkelabständen von 120° gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet.
Bei einer Variante der Erfindung sind wenigstens drei an einem Umfangsabschnitt hintereinander liegend angeordnete Messstellen vorgesehen, die innerhalb des Umfangsabschnittes gleichmäßige Abstände zueinander aufweisen. Hierdurch kann der Raumbedarf der Detektionseinrichtung reduziert werden.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung können die erste Magnetspur und wenigstens einer der weiteren Magnetspuren jeweils in Umfangsrichtung in zwei gleich große Ringsegmente unterteilt, also gegliedert sein. Die Ringsegmente befinden sich in Umfangsrichtung in Deckung miteinander, wobei die erste Magnetspur im ersten Ringsegment als Master-Spur und im zweiten Ringsegment als Nonius-Spur ausgebildet ist und die wenigstens eine der weiteren Magnetspuren im ersten Ringsegment als Nonius-Spur und im zweiten Ringsegment als Master-Spur. Die Teilung der Magnetpole der beiden Master-Spuren und der beiden Nonius-Spuren ist jeweils identisch.
Hierdurch kann sich die Magnetisierung der einzelnen Magnetspuren vereinfachen, da die Magnetkodierer praktisch spiegelbildlich zueinander aufgebaut sind und die „Rolle“ der Magnetspuren bei jeder halben Umdrehung wechselt. Die so verwendeten Magnetkodierer sind also identisch und können in gleicher Weise magnetisiert werden und werden nur um 180° versetz an dem Drehelement angeordnet.
Bei allen hier dargestellten Ausführungsformen und Varianten der Erfindung ist die Detektionseinrichtung dazu ausgebildet, die Drehposition des Drehelementes mit einer Auflösung unterhalb der Umfangslänge eines einzigen Magnetpols zu bestimmen.
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine schematische Vorderansicht der Vorrichtung gemäß 1,
3 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4, 5, 8 und 9 schematische Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6 und 7 Kodierungsschemata von erfindungsgemäßen Magnetkodierern,
10 ein Ausführungsbeispiel eines Sensors einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
11 Ausführungsbeispiel zu einer bestimmter Polteilung.

Gleiche oder gleichwirkende Bauteile werden in den nachfolgend dargestellten Figuren der Zeichnung anhand einer Ausführungsform mit Bezugszeichen versehen, um die Lesbarkeit zu verbessern.
In 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 dargestellt, die zur Bestimmung der absoluten Winkelposition eines Drehelementes 2 um eine Drehachse 3 nach dem Nonius-Prinzip dient.
Dazu sind auf dem Drehelement 2 zwei ringförmige, axial bezüglich der Drehachse 3 nebeneinanderliegende Magnetkodierer 4, 5 mit Magnetspuren 16, 17 angeordnet, deren Magnetfelder berührungslos von auf einem Meßkopf 19 angeordneten zwei Sensoren 6, 7 gemessen und nach dem Nonius-Prinzip ausgewertet werden. Die Magnetkodierer 4, 5 weisen eine Magnetkodierung in Form von Magnetpolen N, S auf jeder Magnetspur 16, 17 auf. Die Magnetpole N, S sind auf jeder Magnetspur 16, 17 in Umfangsrichtung 30 des Drehelementes 2 aufeinanderfolgend angeordnet.
Die Sensoren 6, 7 sind um einen Messabstand radial beabstandet zu den Magnetkodierern 4, 5 an einem Messkopf 8 angeordnet. Der in 1 links angeordnete Sensor 6 ist dem Magnetkodierer 4 und der in 1 rechts angeordnete Sensor 7 dem Magnetkodierer 5 zugeordnet.
Die Vorrichtung kann weitere Messköpfe aufweisen. So ist in den 1 und 2 ein zusätzlicher Messkopf 9 dargestellt, der dem Messkopf 8 bezogen auf die Drehachse 3 des Drehelementes 2 radial gegenüberliegt. Der Messkopf 9 weist ebenso wie der Messkopf 8 zwei Sensoren 10, 11 auf, die dem Magnetkodierer 4 bzw. dem Magnetkodierer 5 zugeordnet sind.
Der Aufbau der Sensoren 6, 7, 10 und 11 wird beispielhaft anhand der in 2 dargestellten Sensoren 6 und 11 erläutert. Innerhalb des Sensors 6 ist wenigstens ein Messelement angeordnet, welches seine elektrischen Eigenschaften ändert, wenn es einem veränderlichen Magnetfeld ausgesetzt wird. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform sind in jedem Sensor 6 jeweils zwei Messbrücken 12, 13 bzw. 14, 15 enthalten, die in Drehrichtung des Drehelementes 2, also in dessen Umfangsrichtung 30, versetzt angeordnet sind.
Wenigstens ein Messelement der mehreren in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung zusammengeschalteten Messelemente einer Messbrücke 12, 13, 14, 15 ändert seine elektrischen Eigenschaften in Reaktion auf die Magnetfelder 18 der Magnetpole N, S des Magnetkodierers 4. Die Messelemente können beispielsweise Sensorelemente sein, die ihren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von dem Magnetfeld, dem sie ausgesetzt sind, ändern. Bevorzugt handelt es sich dabei um Sensorelemente, die nach dem anisotropen magnetoresistiven Effekt, dem sogenannten AMR-Effekt, oder dem riesenmagnetoresistivem Effekt, dem sogenannten GMR-Effekt, oder nach dem tunnelmagnetoresistiven Effekt, dem sogenannten TMR-Effekt, arbeiten. Ein Ausführungsbeispiel hierfür wird später in 11 näher beschrieben.
Vorzugsweise sind die Messbrücken 12, 13 bzw. 14, 15 um ein Viertel der elektrischen Periodenlänge, die abhängig von der magnetischen Periodenlänge λ, also der Länge zweier aufeinanderfolgender Magnetpole N, S in Umfangsrichtung 30 ist, zueinander beabstandet. Die Abhängigkeit elektrischer zu magnetischer Periodenlänge ergibt sich aus dem verwendeten MR-Effekt für den Sensor, für den AMR-Effekt ist die elektrische Periodenlänge gleich λ/2 und für den GMR-Effekt und den TMR-Effekt ist die elektrische Periodenlänge gleich λ. Den Messbrücken wird dabei ein um ein Viertel der elektrischen Periodenlänge versetztes Messsignal aufgeprägt, was die Messgenauigkeit erhöht. Hierdurch kann eine Bestimmung der Winkelposition mit einer Genauigkeit innerhalb eines Magnetpols erfolgen.
Die an den jeweiligen Messbrücken 12, 13 bei Drehung des Drehelementes 2 in Umfangsrichtung 30 vorbeigeführten Magnetpole N, S des Magnetkodierers 4 prägen den Messbrücken ein periodisches Signal auf. Idealerweise handelt es sich dabei um ein sinusförmiges Signal. Aufgrund des Versatzes der Messbrücken 12, 13 um ein Viertel der elektrischen Periodenlänge erhält man durch die Messbrücken 12 somit ein Sinus-Signal und durch die dazu versetzte Messbrücken 13 ein Kosinus-Signal der entsprechenden Magnetpole N, S. Entsprechendes gilt auch für die Messbrücken 14, 15 des Messkopfes 9.
Die Messköpfe 8, 9 bilden eine Detektionseinrichtung 19, die ein digitales oder analoges Signal bereitstellt, welches der absoluten Drehposition des Drehelementes 2 entspricht. Die Detektionseinrichtung 19 kann zudem zusätzlich auch Signale bezüglich der Drehgeschwindigkeit und/oder der Drehrichtung des Drehelementes 2 ausgeben. Anzumerken ist hierbei, dass bei zwei Ringsegmenten die Verwendung eines Messkopfes zur Winkelbestimmung ausreichend ist.
In 3 ist eine besonders bevorzugte Variante der Erfindung dargestellt, bei welcher die Magnetkodierer 4, 5 in einem gemeinsamen Trägerteil 33 ausgebildet sind. Die Magnetkodierer 4, 5 sind somit einstückig miteinander verbunden und bilden ein einheitliches Bauteil, welches mit zwei in Umfangsrichtung 30 ausgebildeten, separaten, die Magnetkodierung bildenden Magnetspuren 16, 17 versehen ist. Dabei sind die Magnetspuren 16, 17 in Richtung der Drehachse 3 so weit voneinander beanstandet, dass die Magnetfelder 18 der Magnetpole N, S einer Magnetspur 17, vgl. 2, nicht oder nicht merklich mit den Sensoren 7, 10 der anderen Magnetspur 16 interagieren und so für Signalfehler sorgen.
Die Anzahl der Magnetpole N, S auf beiden Magnetspuren 16, 17 ist über den Umfang gesehen identisch. Wenigstens eine der Magnetspuren 16, 17 ist so ausgebildet, dass deren Magnetpole N, S bereichsweise mit wenigstens zwei unterschiedlichen Teilungen ausgebildet sind.
Vorzugsweise ist die Magnetspur 16 über den Umfang mit einer gleichmäßigen, also gleichbleibenden Teilung der Magnetpole N, S versehen, wohingegen die Magnetspur 17 wenigstens zwei oder mehrere Teilungen innerhalb der Magnetspur 17 aufweist. Die Magnetspur 17 mit den unterschiedlichen Teilungen der Magnetpole N, S wird bei der Bestimmung der Winkelposition als Nonius-Spur verwendet, die Magnetspur 16 mit gleichmäßiger Teilung wird als Master-Spur verwendet.
4 zeigt schematisch, wie der Magnetkodierer 4 mit einer Magnetspur 17 mit unterschiedlicher Teilung der Magnetpole N, S ausgebildet werden kann. Hierbei ist der Magnetkodierer 4 bzw. die Magnetspur 17 in mehrere Ringsegmente 20, 21, 22, 23, 24 unterteilt, die in Summe einen vollständigen Ring ausbilden. Dabei ist der Magnetkodierer 4 vorzugsweise physisch als ein vollständiger Ring ausgebildet, dessen Magnetspur 17 in den unterschiedlichen Ringsegmenten 20, 21, 22, 23, 24 mit Magnetpolen N, S unterschiedlicher Teilung codiert ist.
Zum Erfassen der Winkelposition des Drehelementes 2 sind mehrere Messstellen 27, 28, 29 vorgesehen, die in Umfangsrichtung 30 mit gleichmäßigen Abständen zueinander verteilt angeordnet sind. Die Messstellen 27, 28, 29 entsprechen in ihrem Aufbau den Messköpfen 8, 9, wobei an den Messstellen 27 und 28 auf die Sensoren für den Magnetkodierer mit gleichmäßiger Teilung verzichtet werden kann.
Das in der 4 dargestellte Beispiel weist also fünf Ringsegmente 20, 21, 22, 23 und 24 auf, die jeweils eine andere Teilung ihrer Magnetpole N, S aufweisen.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem der Magnetkodierer 4 mit der Magnetspur 17 zwei Ringsegmente 25 und 26 aufweist. Das Ringsegment 25 wird als Nonius-Segment verwendet und weist eine Teilung der Magnetpole N, S auf, die sich von der Teilung der Magnetpole N, S auf der Magnetspur 16 des Magnetkodierers 5 unterscheidet.
Das zweite Ringsegment 26 wird als sogenanntes Blindsegment ausgebildet. Die magnetische Kodierung der Magnetspur 17 im Bereich des Blindsegmentes ist für eine Messung nach dem Nonius-Prinzip ungeeignet. Im Bereich des Ringsegmentes 26 wird eine Teilung der Magnetpole N, S vorgesehen, die um das Vier-bis Achtfache kleiner ausgebildet ist als die Teilung auf dem Ringsegment 25. Es kann ausreichend sein, auch eine nur um das Zweifache kleinere Teilung vorzunehmen.
Gleichzeitig werden am Umfang des Drehelementes 2 zwei Messstellen 27, 28 an radial gegenüberliegenden Seiten des Drehelementes 2 angeordnet, sodass jeweils immer eine Messstelle 27, 28 dem Ringsegment 25 gegenüberliegt und so ein gültiges Messsignal durch Erfassung der Master-Spur und der Nonius-Spur erzeugen kann. Die jeweils andere Messstelle 28, 27 liegt entweder auch dem Ringsegment 25 gegenüber, sodass zwei gültige Messsignale erzeugt werden können, die miteinander verglichen oder verrechnet werden können. In bestimmten Stellungen liegt eine Messstelle 27, 28 dem Blindsegment, Ringsegment 26 gegenüber und kann kein gültiges Messsignal erzeugen. Die im Blindsegment vorhandene magnetische Kodierung sorgt aber dafür, dass die Sensoren der jeweiligen Messstelle 27,28 in einem definierten Zustand sind und somit das Gegenüberliegen des Blindsegmentes festgestellt werden kann. Wenn die Ausdehnung des Blindsegmentes in Umfangsrichtung 30 über die Hälfte des Magnetkodierers 4 hinausgeht, müssen eine oder mehrere zusätzliche Messstellen vorgesehen werden, um sicherzustellen, dass stets wenigstens eine Messstelle der Nonius-Spur gegenüberliegt.
Die 6, 7 und 8 zeigen Varianten einer weiteren Ausführungsform, bei welcher beide Magnetkodierer 4, 5 mit ihren Magnetspuren 16, 17 jeweils in zwei gleich große Ringsegmente 31, 32 unterteilt sind.
Die Besonderheit bei dieser Ausführungsform gemäß dem Kodierungsschema nach 6 liegt darin, dass die Magnetspur 16 über den gesamten Umfang hinweg als Master-Spur verwendet wird und dazu eine gleichmäßige, gleichbleibende Teilung aufweist. Demgegenüber ist die Magnetspur 17 in zwei unterschiedliche Ringsegmente 31, 32 unterteilt, wobei das Ringsegment 31 eine größere Teilung und das Ringsegment 32 eine kleinere Teilung aufweist als die Magnetspur 16. Hierdurch kann über den gesamten Umfang eine Messung nach dem Nonius-Prinzip erfolgen.
Die Besonderheit der Ausführungsform gemäß dem Kodierungsschema nach 7 liegt darin, dass die Magnetspuren 16, 17 in Umfangsrichtung abwechselnd als Master-Spur und Nonius-Spur verwendet werden. Im Bereich des Ringsegmentes 31 bildet die Magnetspur 16 die Master-Spur mit kleinerer Teilung der Magnetpole N, S. In den sich daran anschließenden Ringsegment 32 ist die Teilung der Magnetpole N, S in umgekehrter Weise ausgebildet, sodass die Magnetspur 17 als Master-Spur und die Magnetspur 16 als Nonius-Spur verwendet werden. Hierfür werden insgesamt drei Messstellen 27, 28, 29 vorgesehen, die die Magnetfelder 18 der Magnetpole N, S, vgl. 2, erfassen.
In der 9 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei welcher eine Vielzahl von Messstellen S1 ... S11, Sn über den Umfang des Drehelementes 2 angeordnet werden, sodass sich die Umfangslänge der Nonius-Spur, die Noniuslänge α, lediglich über eine Bogenlänge erstrecken muss, die größer ist als der Winkelabstand β der Messstellen S1...S11, Sn untereinander. Vorzugsweise können zwei gegenüberliegend angeordnete Nonius-Segmente 34, 35 angeordnet werden, um die Messgenauigkeit zu erhöhen.
Der Bereich zwischen den Nonius-Segmenten 34,35 an dem Magnetkodierer 4 ist als Blindsegment 37, 38 ausgeführt. Der Magnetkodierer 5 weist eine gleichmäßige Teilung der Magnetpole N, S auf.
Grundsätzlich ist es bei den Ausführungsformen mit mehreren Messstellen bzw. Messköpfen möglich, neben der Winkelposition auch sekundäre Messwerte zu ermitteln. Da für eine bestimmte Winkelposition die Messsignale an einer Messstelle bekannt sind, können diese mit Messsignalen einer anderen Messstelle verglichen werden, wenn sich die entsprechenden Magnetpole N, S an der dortigen Position befinden. Hierdurch können Einflüsse durch sich verändernde Messabstände beispielsweise zwischen den Sensoren 6, 7 und den Magnetkodierern 4, 5 erfasst werden, was wiederum Rückschlüsse über einen ordnungsgemäßen Rundlauf oder eine Nutation des Drehelementes 2 erlaubt.
Durch die Möglichkeit, mehrere Ringsegmente mit Magnetspuren unterschiedlicher magnetischer Teilung vorzusehen, wird es möglich, den Durchmesser des Drehelementes 2 nahezu beliebig zu skalieren und durch Verwendung mehrerer Messstellen eine Neukonstruktion der Sensoren der Detektionseinrichtung 19 und eine Änderung der Poldimensionen überflüssig zu machen.
Wenn die Vorrichtung 1 mit einer zweiten Magnetspur 17 ausgebildet ist, die in eine gerade Anzahl an unterschiedlichen Ringsegmenten gegliedert ist, dann kann die Detektionseinrichtung 19 zumindest für die zweite Magnetspur 17 nach dem AMR-Effekt arbeiten, also wenigstens einen Sensor 6, 7 aufweisen, der nach dem AMR-Effekt arbeitet. Eine solche Vorrichtung würde sich beispielsweise von der in 4 dargestellten Anordnung darin unterscheiden, dass das Ringsegment 20 weggelassen und die übrigen Ringsegmente 21, 22, 23, 24 in ihrer Erstreckung in Umfangsrichtung 30 soweit verlängert werden, dass sich die Ringsegmente 21, 22, 23, 24 über den vollen Umfang des Drehelementes 2 erstrecken.
Die Messstellen 27, 28, 29 sind im Umfangsrichtung um wenigstens zwei Magnetpole N, S zueinander beabstandet. Die Sensoren 6, 7 können so ausgebildet sein, dass sie gleichzeitig einen, zwei, vier, acht oder „n“, in Umfangsrichtung 30 hintereinanderliegende Magnetpole detektieren können. Die Messstellen 27, 28, 29 sind um (n+2)-Magnetpole N, S zueinander beabstandet.
Die Detektionseinrichtung 19 kann, wie in den 1, 2 und 5 gezeigt, zwei Messstellen aufweisen. Es können aber auch drei oder mehr Messstellen 27, 28, 29 sein, vgl. die Varianten nach den 4 und 8 bzw. nach 9.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann die zweite Magnetspur in eine gerade Anzahl an unterschiedlichen Ringsegmenten gegliedert sein und die Detektionseinrichtung zumindest für die zweite Magnetspur wenigstens einen Sensor aufweisen, der nach dem AMR-Effekt arbeitet. Auf diese Weise kann eine vollständige 360°-Messung der Drehposition besonders einfach unter Verwendung von AMR-Sensoren erfolgen.
Die Messstellen 27, 28, 29 bzw. S1 ... Sn können in Umfangsrichtung 30 gleichmäßig verteilt oder an einem Umfangsabschnitt 36 hintereinander liegend angeordnet sein, wobei die Messstellen 27, 28, 29 dann innerhalb des Umfangsabschnittes 36 gleichmäßige Winkelabstände, bspw. jeweils 20° Winkelabstand, zueinander aufweisen.
Die Anzahl Messstellen 27, 28, 29 bzw. S1 ... Sn ist von der Magnetkodierung der Magnetspuren 16, 17 und der verwendeten Sensortechnologie abhängig. Bei einer Magnetkodierung wie in 6 ist bspw. eine Messstelle mit je einem Sensor pro Magnetspur 16, 17 ausreichend. Bei einer Magnetkodierung, wie sie in 7 dargestellt ist, sind mindestens zwei am Umfang verteilt angeordnete Messstellen erforderlich.
Wenn mehr als zwei Ringsegmente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 vorgesehen sind, dann wird eine Anordnung der Messstellen verwendet, wie sie in den 4 oder 9 gezeigt ist.
Sofern die Messstellen 27, 28, 29 nicht gleichmäßig über den Umfang des Drehelementes 2 verteilt angeordnet sind, so sind sie an einem Umfangsabschnitt 36, vgl. 4 und 8, so angeordnet, dass in Umfangsrichtung 30 aufeinander folgende Messstellen jeweils den gleichen Winkelabstand zueinander haben, beispielsweise 20°.
In der 10 ist abschließend ein Ausführungsbeispiel eines Sensors einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand des Sensors 6 dargestellt. Der Sensor 6 weist dabei zwei Messbrücken 12, 13 auf. Die Messbrücken 12 und 13 sind dabei als Wheatstone'schen Brückenschaltung aufgebaut, wobei die Messbrücke 12 vier elektrische Messelemente B1, B2, B3 und B4, aufweist, welche vorliegend als elektrische Widerstände ausgebildet sind. In gleicher Weise weist die Messbrücke 13 vier elektrische Messelemente C1, C2, C3 und C4 auf, welche ebenfalls als elektrische Widerstände ausgebildet sind. Die Mitten der Messbrücken 12 und 13 sind in einem Abstand A voneinander beabstandet, wobei dieser Abstand A einem Viertel der elektrischen Periodenlänge entspricht. Abhängig vom verwendeten AMR-Effekt kann dieser Abstand verschiedene Werte annehmen, da die Abhängigkeit der elektrischen zur magnetischen Periodenlänge davon abhängt. Für den AMR-Effekt ist die elektrische Periodenlänge gleich die Hälfte der magnetischen Periodenlänge λ, während für den GMR-Effekt und dem TMR-Effekt die elektrische Periodenlänge gleich der magnetischen Periodenlänge λ ist. Somit ergibt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel für den Abstand A der Wert λ/8 bei Verwendung des AMR-Effektes, während der Wert des Abstandes A bei Verwendung des GMR-Effektes oder des TMR-Effektes den Wert λ/4I annimmt.
An den Messbrücken 12 und 13 sind Ausgänge vorgesehen an denen elektrische Spannungen +B und -B sowie +C und -C abgreifbar sind, während der Sensor mit einer Betriebsspannung Vcc versorgt wird und über eine Erdung gnd geerdet ist.
Typischerweise weisen die Widerstände B1, B2, B3 und B4, beziehungsweise C1, C2, C3 und C4 ebenfalls einen Abstand zueinander auf. In 11 ist der Fall für einen AMR-Sensor dargestellt. Zwischen den Widerständen der jeweiligen Messbrücke ist jeweils ein Abstand, der der halben elektrischen Periodenlänge entspricht. Mit λ gleich der magnetischen Periodenlänge ist dies für AMR dann λ/4 und für GMR und TMR dann λ/2.
Bei einer solchen Anordnung wird am Sensor nur dann ein Ausgangssignal erzeugt, wenn ein periodisches magnetisches Feld der Periodenlänge λ vorliegt. Bei kleinen Abweichungen von λ werden noch auswertbare Ausgangssignale erzeugt. Diese sind aber, je größer die Abweichung von λ ist, auch mit einem größeren Fehler behaftet. Bei homogenen Magnetfelder erzeugt diese Widerstandsanordung im Sensor kein Signal.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Drehelement
3: Drehachse
4: Magnetkodierer
5: Magnetkodierer
6: Sensor
7: Sensor
8: Messkopf
9: Messkopf
10: Sensor
11: Sensor
12: Messbrücke
13: Messbrücke
14: Messbrücke
15: Messbrücke
16: Magnetspur
17: Magnetspur
18: Magnetfeld
19: Detektionseinrichtung
20: Ringsegment
21: Ringsegment
22: Ringsegment
23: Ringsegment
24: Ringsegment
25: Ringsegment
26: Ringsegment
27: Messstelle
28: Messstelle
29: Messstelle
30: Umfangsrichtung
31: Ringsegment
32: Ringsegment
33: Träger
34: Nonius-Segment
35: Nonius-Segment
36: Umfangsabschnitt
37: Blindsegment
38: Blindsegment
N, S: Magnetpole
S1, S2...Sn: Messstellen
α: Noniuslänge
β: Messstellenabstand
λ: magnetische Periodenlänge
B1: Messelement
B2: Messelement
B3: Messelement
B4: Messelement
C1: Messelement
C2: Messelement
C3: Messelement
C4: Messelement
+B: Spannung
-B: Spannung
+C: Spannung
-C: Spannung
Vcc: Betriebsspannung
gnd: Erdung
A: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1353151 A1 [0003]
EP 2244069 A1 [0004]
EP 2116813 B1 [0004]
JP 2009069092 A [0004]
EP 2966414 A1 [0004]
JP 6207978 B2 [0007]

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung der absoluten Winkelposition eines um eine Drehachse (3) drehbaren Drehelementes (2) nach dem Nonius-Prinzip, mit wenigstens einer magnetischen Detektionseinrichtung (19) und einer an dem Drehelement (2) drehfest angeordneten, ringförmigen Magnetkodierung, die unter Ausbildung nebeneinanderliegender Magnetspuren (16, 17) über ihren gesamten Umfang mit aufeinander folgenden Magnetpolen (N, S) kodiert sind, deren Magnetfelder (18) zur Bestimmung der Winkelposition des Drehelementes (2) von der Detektionseinrichtung (19) erfasst und ausgewertet werden, wobei die Anzahl der Magnetpole (N, S) auf den Magnetspuren (16, 17) identisch ist und wenigstens eine Magnetspur (16, 17) Magnetpole (N, S) unterschiedlicher Teilung aufweist, wobei in nebeneinanderliegenden Umfangsabschnitten der beiden Magnetspuren (16, 17) die Teilung der Magnetpole (N, S) voneinander abweicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkodierung wenigstens zwei Magnetkodierer (4, 5) aufweist, wobei die wenigstens ein Detektionseinrichtung (19) jeweils wenigstens einen Sensor (6, 7; 10, 11) für jeden Magnetkodierer (4, 5) enthält, wobei der jeweils wenigstens eine Sensor (6, 7; 10, 11) als polangepasster Längensensor ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (6, 7; 10, 11) für jeden Magnetkodierer (4, 5) wenigstens zwei Messbrücken (12, 13; 14, 15) aufweist, welche jeweils mehrere in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung zusammengeschalteten elektrische Messelemente (B1, B2, B3, B4; C1, C2, C3, C4) aufweisen, die unter Magnetfeldeinfluss ihr messbares elektrisches Ausgangssignal, beispielsweise ihre elektrische Ausgangsspannung ändern.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Messbrücken (12, 13; 14, 15) jeweils vier in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung zusammengeschalteten elektrische Messelemente (B1, B2, B3, B4; C1, C2, C3, C4) aufweist, die unter Magnetfeldeinfluss ihr messbares elektrisches Ausgangssignal, beispielsweise ihre elektrische Ausgangsspannung ändern.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Messbrücken (12, 13; 14, 15) um ein Viertel einer elektrischen Periodenlänge, die abhängig von einer magnetischen Periodenlänge λ beziehungsweise der Länge zweier aufeinanderfolgender Magnetpole ist, voneinander beabstandet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (N, S) auf den Magnetspuren (16, 17) unmittelbar aneinandergrenzend ausgebildet sind und die unterschiedliche Teilung durch in Drehrichtung unterschiedliche Längen der Magnetpole (N, S) gebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkodierung in ein auf dem Drehelement (2) gehaltenes Trägerteil (33) oder in separate, auf dem Drehelement (2) gehaltene Magnetkodierer (4, 5) integriert ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Magnetspur (16) als Master-Spur mit Magnetpolen (N, S) gleichbleibender Teilung und jede weitere Magnetspur (17) als Nonius-Spur mit Magnetpolen (N, S) unterschiedlicher Teilung ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der weiteren Magnetspuren (17) in wenigstens zwei Ringsegmente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26) mit Magnetpolen (N, S) unterschiedlicher Teilung gegliedert ist und die erste Magnetspur (16) eine Teilung ihrer Magnetpole (N, S) aufweist, die sich jeweils von den Teilungen der Magnetpole (N, S) jeder weiteren Magnetspur (17) unterscheidet.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der weiteren Magnetspuren (17) in eine gerade Anzahl an unterschiedlichen Ringsegmenten (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26) gegliedert ist und die Detektionseinrichtung (19) zumindest für diese Magnetspur (17) wenigstens einen Sensor (6, 7) aufweist, der nach dem AMR-Effekt arbeitet.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (19) wenigstens zwei Messstellen (27, 28, 29) für die wenigstens eine der weiteren Magnetspuren (17) mit Magnetpolen (N, S) unterschiedlicher Teilung aufweist, wobei die Messstellen (27, 28, 29) in Umfangsrichtung (30) aufeinanderfolgend angeordnet und um mehrere Magnetpole (N, S), insbesondere wenigstens um zwei Magnetpole (N, S), zueinander beabstandet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringsegment (26) für die wenigstens eine der weiteren Magnetspuren (17) als Blindsegment ausgebildet ist, dass eine um das mindestens Zweifache, vorzugsweise um das Vier- bis Achtfache kleinere Teilung der Magnetpole (N, S) aufweist als das oder die übrigen Ringsegmente (20, 21, 22, 23, 24, 25) der wenigstens eine der weiteren Magnetspuren (17).
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Ringsegmente (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26) für die wenigstens eine der weiteren Magnetspuren (17) jeweils mit einer ungeraden Anzahl an Magnetpolen (N, S) ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (19) wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei Messstellen (27, 28, 29) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstellen in Umfangsrichtung (3) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei an einem Umfangsabschnitt hintereinander liegend angeordnete Messstellen (27, 28, 29) vorgesehen sind, die innerhalb des Umfangsabschnittes (36) gleichmäßige Winkelabstände zueinander aufweisen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Magnetspur (16) und eine der weiteren Magnetspuren (17) jeweils in Umfangsrichtung (30) in zwei gleich große Ringsegmente (31, 32) unterteilt sind, welche sich in Umfangsrichtung (30) in Deckung miteinander befinden, wobei die erste Magnetspur (16) im ersten Ringsegment (31) als Master-Spur und im zweiten Ringsegment (32) als Nonius-Spur ausgebildet ist und eine der weiteren Magnetspuren (17) im ersten Ringsegment (31) als Nonius-Spur und im zweiten Ringsegment (32) als Master-Spur ausgebildet ist, und die Teilung der Magnetpole (N, S) der beiden Master-Spuren und der beiden Nonius-Spuren identisch ist.