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Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Sensor zur Positionsmessung eines Messobjekts, wobei der Sensor mehrere Spulen aufweist, die eine Sendespule und mindestens eine Empfängerspule umfassen.
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Bekannt sind induktive Sensoren, die eine Platine mit einer Kupferschicht aufweisen, in die eine Spulenanordnung eingeätzt ist. Die Platine ist üblicherweise mehrlagig, wobei die verschiedenen, übereinanderliegenden Lagen der Platine primär voneinander isoliert sind und über eine Durchkontaktierung zusammen kontaktiert werden können. Die Spulen umfassen üblicherweise eine Sendespule, über die ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, sowie mehrere Empfängerspulen, die das von einem Messobjekt veränderte Feld empfangen, wobei aus der Feldänderung auf die Position des Messobjekts geschlossen wird.
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Aus der
DE 10 2009 009 085 A1 ist ein induktiver Sensor bekannt, der für eine berührungslose, induktive Erfassung translatorischer und rotatorischer Bewegungen eines Bauteils geeignet ist. Der Sensor weist einen Stator mit einer Leiterplatte auf, auf der eine Erregerspule sowie ein erstes induktives Empfängermittel und ein zweites induktives Empfängermittel angeordnet sind, welche als planare Empfängerspulen ausgebildet sind. Der Stator umfasst darüber hinaus eine Auswerteelektronik.
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In der
US 2019/0360840 A1 wird ein Magnetfeldsensor beschrieben, der auf einer Leiterplatte eine Sendespule und eine Empfängerspule aufweist, wobei das elektromagnetische Feld der Sendespule eine Spannung in der Empfängerspule induziert. Wird ein Magnet über die Leiterplatte bewegt, ändert sich die induzierte Spannung, woraus auf die Position des Magneten geschlossen werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen einen induktiven Sensor zur Positionsmessung eines Messobjekts zu schaffen, der sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Der erfindungsgemäße induktive Sensor wird zur Positionsmessung eines Messobjekts verwendet, das elektrisch bzw. magnetisch leitend ausgeführt ist und gegebenenfalls einen Permanentmagneten zur Erzeugung eines eigenen Magnetfelds umfassen kann. Mit dem Sensor ist über die Positionsmessung auch eine Abstandsmessung des Messobjekts zu einem Referenzpunkt oder -objekt möglich. Der Sensor umfasst mindestens zwei Spulen, von denen eine Spule eine Sendespule und mindestens eine weitere Spule eine Empfängerspule bildet, wobei die Spulen auf einem Trägerkörper angeordnet sind. In der Sendespule wird durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das in der Empfängerspule eine Spannung induziert. Beim Vorbeiführen eines Messobjektes, dessen Position bestimmt werden soll, ändert sich die in der Empfängerspule induzierte Spannung, woraus auf die Position des Messobjektes geschlossen werden kann.
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Die Spulen sind auf einem elektrisch und magnetisch nichtleitenden Trägerkörper angeordnet. Die Spulen sind als gewickelte Spulen aus Spulendraht ausgebildet und in der Weise auf den Trägerkörper gewickelt, dass die Form der Spulen der Trägerkörpergeometrie folgt. Zumindest eine Spulenwicklung jeder Spule liegt unmittelbar benachbart zur Mantelfläche des Trägerkörpers.
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Diese Ausführung weist verschiedene Vorteile auf. Bei dem Trägerkörper handelt es sich nicht um eine Leiterplatte, sondern lediglich um ein elektrisch und magnetisch isolierendes Trägerbauteil, dessen Geometrie im Unterschied zu einer Leiterplatte grundsätzlich keinen Einschränkungen unterworfen ist. Daher ist es möglich, Trägerkörper sowohl mit einer ebenen als auch mit einer gekrümmten oder komplexen dreidimensionalen Struktur einzusetzen, die zum Beispiel offen ausgebildet ist, beispielsweise in Form eines aufgeschnittenen Hohlzylinders, oder einen oder mehrere Hohlräume aufweisen kann, beispielsweise in Form eines Hohlzylinders. Dies erlaubt es, je nach Einsatzzweck des induktiven Sensors individuell angepasste Trägerkörper mit darauf angeordneten Spulen zu verwenden.
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Der Trägerkörper kann aus einem kostengünstigen Material wie beispielsweise Kunststoff gefertigt werden. Diese Ausführung hat außerdem den Vorteil, dass der Trägerkörper entweder im Stritzgießverfahren oder im 3d-Druck hergestellt werden kann und beliebige Geometrien realisiert werden können.
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Die Spulen sind vorteilhafterweise um Stifte auf dem Trägerkörper gewickelt, die einteilig mit dem Trägerkörper ausgebildet sind. Gegebenenfalls können die Stifte auch separat vom Trägerkörper ausgebildet, jedoch fest mit dem Trägerkörper verbunden sein.
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Vorteilhaft ist es auch, dass die Form der Spulen der Trägerkörpergeometrie folgen. Die Spulen können eine Flachwicklung aufweisen. Hierdurch ergeben sich flächenmäßig verhältnismäßig große Spulen, die sich entlang der Mantelfläche des Trägerkörpers erstrecken und eine hohe Sensitivität im Hinblick auf das zu erfassende Messobjekt aufweisen. Es lassen sich Sensoren mit einer hohen Auflösung im Hinblick auf die Position des Messobjekts realisieren. Die Anzahl der Spulen kann verhältnismäßig klein gehalten werden; es kann ausreichend sein, nur eine Sendespule und eine oder mehrere Empfängerspulen zu verwenden. Darüber hinaus sind aber auch Ausführungen möglich, bei denen mehrere Sendespulen und/oder mehrere Empfängerspulen im Sensor angeordnet sind.
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Der Spulendraht der Spulen ist vorteilhafterweise mit einem Isolierlack versehen, um in den Wicklungen einen Kurzschluss zu verhindern.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung liegt eine Wicklung jeder Spule auf Kontakt zur Mantelfläche des Trägerkörpers. Der Spulendraht der ersten Spulenwicklung einer Spule liegt auf der Mantelfläche des Trägerkörpers auf und berührt die Mantelfläche. Möglich sind aber auch Ausführungen, in denen kein direkter Kontakt der ersten Spulenwicklung mit der Mantelfläche des Trägerkörpers besteht, sondern zwischen der ersten Spulenwicklung und der Mantelfläche ein kleiner Luftspalt liegt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung überdeckt jede Spule einen Mindestflächenanteil der Mantelfläche des Trägerkörpers, wobei der Flächenanteil vorzugsweise bei mindestens 50 % liegt. Gegebenenfalls kommen auch Überdeckungen von mindestens 60 %, mindestens 70 %, mindestens 80 % oder mindestens 90 % in Betracht. Der Überdeckungsgrad bezieht sich hierbei auf diejenige Mantelfläche des Trägerkörpers, an der die Spule angeordnet ist. Typischerweise sind die Spulen nur an einer Seite des Trägerkörpers angeordnet, dementsprechend bezieht sich der Überdeckungsgrad auf diejenige Seite des Trägerkörpers, die die Spulen aufnimmt.
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Vorteilhafterweise befinden sich alle Spulen auf nur einer Seite des Trägerkörpers und bilden an dieser Seite mit ihrer Form die Trägerkörpergeometrie nach. In alternativer Ausführung ist es auch möglich, dass die Spulen auf gegenüberliegenden Seiten des Trägerkörpers angeordnet sind; auch in diesem Fall bildet die Form der Spulen auf gegenüberliegenden Mantelflächen die Trägerkörpergeometrie nach.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung überdecken mehrere Spulen eine übereinanderliegende, sich überschneidende oder überdeckende Fläche. Der Sensor umfasst vorteilhafterweise mehrere Empfängerspulen, die jeweils eine bezogen auf die Mantelfläche des Trägerkörpers definierte Fläche abdecken, wobei sich die Flächen mehrerer Empfängerspulen überschneiden oder überdecken. Auf diese Weise kann zum einen trotz einer verhältnismäßig großen Flächenerstreckung jeder Spule insgesamt eine Mehrzahl derartiger Spulen angeordnet werden. Zum andern wird im Hinblick auf die Positionserfassung des Messobjekts eine hohe Auflösung erreicht.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Trägerkörper aus Kunststoff gefertigt, der, wie oben beschrieben, im Spritzgießverfahren oder 3D-Druck beliebige Geometrien einnehmen kann. Prinzipiell kommen auch andere elektrisch und magnetisch nicht-leitende Materialien als Alternative zu Kunststoff für den Trägerkörper in Betracht.
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Je nach Einsatzzweck kann der Trägerkörper unterschiedliche Geometrien aufweisen. Möglich ist beispielsweise eine Ausführung des Trägerkörpers als ein flacher Körper, der in einer planen Ebene liegt, beispielsweise in Form einer Scheibe, eines Rings oder eines Rechtecks. Darüber hinaus kann der Trägerkörper auch als dreidimensionaler Körper ausgebildet sein, der offen ausgeführt ist und in einer gekrümmten Ebene liegen kann, beispielsweise in Form eines der Länge nach durchgeschnittenen Hohlzylinders. Möglich ist auch ein geschlossener dreidimensionaler Körper, der einen Innenraum umschließt, so dass der Trägerkörper einen Hohlkörper bildet, beispielsweise in Form eines Hohlzylinders. In jedem Fall befinden sich die Spulen an der Mantelfläche des Trägerkörpers, insbesondere an nur einer Mantelfläche, wobei im Fall eines Hohlkörpers sowohl die äußere Mantelfläche in Betracht kommt, welche die Außenkontur bildet, als auch die innenliegende Mantelfläche, welche den Hohlraum unmittelbar begrenzt. Dementsprechend kann sowohl die Innenseite als auch die Außenseite des dreidimensionalen Körpers die Mantelfläche bilden, benachbart zu der eine Spulenwicklung in jeder Spule liegt.
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Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, den Trägerkörper mit den Spulen an der Trägerkörpermantelfläche von einem weiteren Körper abzudecken, der insbesondere mit dem Trägerkörper verbunden ist. In Betracht kommt beispielsweise ein Umspritzen der Spulen auf dem Trägerkörper mit einem spritzfähigen Material wie einem Kunststoffmaterial, so dass die Spulen nach außen vollständig bedeckt und abgeschirmt sind.
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Vorteilhafterweise liegen aber die Spulen an der Mantelfläche des Trägerkörpers nach außen offen und sind von keinem weiteren Körper überdeckt.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist eine Platine, welche Teil des Sensors ist und über die die Sendespule bestromt sowie die Empfängerspulen ausgewertet werden, auf dem Trägerkörper angeordnet. Der Spulendraht ist zur Platine geführt, die beispielsweise als Steckplatine ausgeführt und auf den Trägerkörper aufsteckbar ist.
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In alternativer Ausführung ist es auch möglich, dass die Platine separat vom Trägerkörper angeordnet ist. Die Platine kann beispielsweise an einem Gehäuse eines Bauteils angeordnet sein, in dem sich ein bewegliches Messobjekt befindet, dessen Bewegung mithilfe des induktiven Sensors erfasst wird.
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Vorteilhafterweise ist auch der Trägerkörper des Sensors an diesem Gehäuse angeordnet, so dass Platine und Sensor ortsfest zueinander angeordnet sind.
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In bevorzugter Ausführung ist der Spulendraht jeder Spule zu der Platine geführt. Alternativ kommt auch eine drahtlose Übertragung zumindest zwischen den Empfängerspulen und der Platine in Betracht.
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Mithilfe des erfindungsgemäßen Sensors können verschiedenartige Bewegungen eines Messobjekts erfasst werden. In Betracht kommt die Erfassung nur einer Bewegungsrichtung, beispielsweise nur eine translatorische Bewegung oder nur eine rotatorische Bewegung des Messobjekts. Des Weiteren ist es auch möglich, insbesondere bei dreidimensional geformten Trägerkörpern mit an der Mantelfläche angeordnete Spulen, eine Kombination mehrerer Bewegungen des Messobjekts zu erfassen, beispielsweise eine translatorische Bewegung kombiniert mit einer Rotationsbewegung des Messobjekts.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines induktiven Sensors mit einem ringförmigen Trägerkörper und Sende- sowie Empfängerspulen auf einer Seite des Trägerkörpers,
- 2 der Sensor aus 1 mit einem scheibenförmigen Messobjekt, dessen Drehbewegung mithilfe des Sensors erfasst wird,
- 3 eine Draufsicht auf Sensor und Messobjekt,
- 4 einen Schnitt durch Sensor und Messobjekt,
- 5 eine Seitenansicht von Sensor und Messobjekt,
- 6 ein induktiver Sensor in einer weiteren Ausführung, in der der Trägerkörper als halber Ring ausgeführt ist,
- 7 der Sensor gemäß 6 mit einem scheibenförmigen Messobjekt,
- 8 ein weiterer induktiver Sensor mit einem hohlzylindrischen Trägerkörper,
- 9 ein weiterer induktiver Sensor mit einem rechteckförmigen Trägerkörper.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 bis 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines induktiven Sensors 1 dargestellt. Der Sensor 1 weist einen Trägerkörper 2 auf, der als Flachring ausgebildet ist und dessen eine Seiten- oder Mantelfläche 3 Träger einer Sendespule 4 und dreier Empfängerspulen 5a, 5b, 5c ist. Die Spulen sind an der Seiten- oder Mantelfläche 3 um Stifte 6 gewickelt, die einteilig mit dem Trägerkörper 2 ausgebildet sind und sich orthogonal zur Ebene des als Flachkörper ausgebildeten Trägerkörpers 2 über die Mantel- oder Seitenfläche 3 erheben.
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Die Sendespule 4 verläuft ringförmig an einer Außenseite des Trägerkörpers 2. Die drei Empfängerspulen 5a, 5b, 5c sind über die gesamte Mantel- oder Seitenfläche 3 des Trägerkörpers 2 und an der gleichen Außenseite wie die Sendespule 4 gewickelt und erstrecken sich entsprechend sowohl in Umfangsrichtung als auch in Radialrichtung des ringförmigen Trägerkörpers 2, so dass die Mantel- oder Seitenfläche 3 von den Empfängerspulen 5a, 5b, 5c fast vollständig überdeckt ist. Die erste Spulenwicklung jeder Spule 4, 5 liegt vorzugsweise unmittelbar auf Kontakt zur Mantel- oder Seitenfläche 3, wobei auch ein geringer Abstand zur Mantel- oder Seitenfläche 3 möglich ist. Sämtliche Wicklungslagen der Spulen 4, 5 verlaufen parallel zur Ebene der Mantel- oder Seitenfläche 3.
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Einteilig mit dem Trägerkörper 2 ist ein rechteckförmiger Fortsatz 2a ausgebildet, der sich über ein verhältnismäßig kleines Winkelsegment von 30° bis 40° am Außenrand des Trägerkörpers 2 erstreckt und radial nach außen gerichtet ist. Am Fortsatz 2a ist eine Platine 7 angeordnet, mit der die Spulen 4, 5 verbunden sind. Über die Platine 7 wird die Sendespule 4 mit einer Wechselspannung beaufschlagt und werden die induzierten Spannungen in den Empfängerspulen 5a, 5b, 5c ausgewertet, um die Position eines Messobjektes 8 zu erfassen.
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Der Trägerkörper 2 besteht vorteilhafterweise aus einem Kunststoffmaterial und kann im Wege des Spritzgießens oder als 3d-Druck hergestellt werden. Auch die Stifte 6 an der Mantel- oder Seitenfläche 3 des Trägerkörpers 2 werden gemeinsam mit dem Trägerkörper hergestellt.
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In den 2 bis 5 ist der Sensor 1 gemeinsam mit einem Messobjekt 8 dargestellt, das als Scheibe ausgeführt ist und bei dem es sich beispielsweise um einen Lüfterflügel handelt. Das Messobjekt 8 kann um die Längsachse 9 rotieren (4, 5), die zugleich die Längsachse des Trägerkörpers 2 und damit des Sensors 1 bildet. Der Sensor 1 ist ortsfest angeordnet, so dass das Messobjekt 8 sich relativ zum Sensor 1 bewegt. Die Drehbewegung des Messobjekts 8 um die Längsachse 9 kann von dem Sensor 1 detektiert werden.
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In den 6 und 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines induktiven Sensors 1 dargestellt, der grundsätzlich den gleichen Aufbau besitzt wie der Sensor gemäß erstem Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 5, jedoch einen Trägerkörper 2 aufweist, der im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel nur als halber Ring ausgeführt ist. Das Messobjekt 8 weist die gleiche Geometrie wie im ersten Ausführungsbeispiel auf und führt auch die gleiche Drehbewegung aus. Der Sensor 1 mit halbringförmigem Trägerkörper 2 ist in der Lage, diese Drehbewegung des Messobjektes 8 um dessen Längsachse zu detektieren. Die Sendespule 4 und die drei Empfängerspulen 5a, 5b, 5c befinden sich an der gleich Seiten- oder Mantelfläche 3 und überdecken die Seiten- oder Mantelfläche 3 vollständig oder beinahe vollständig.
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In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Trägerkörper 2 des Sensors 1 hohlzylindrisch ausgeführt ist. Auf der außenliegenden Mantelfläche des hohlzylindrischen Trägerkörpers 2 sind eine Sendespule 4 und eine Empfängerspule 5 angeordnet. Die Spulen 4, 5 erstrecken sich sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung - bezogen auf die Längsachse 9 des hohlzylindrischen Trägerkörpers 2 - vollständig oder beinahe vollständig über die Mantelfläche des Trägerkörpers 2. Dementsprechend folgen die Spulen 4, 5 der Trägerkörpergeometrie und überdecken die außenliegende Mantelfläche.
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In den Innenraum des hohlzylindrischen Trägerkörpers 2 ist beispielhaft ein zylindrisches Messobjekt 8 eingeführt, dessen translatorische Bewegung entlang der Längsachse 9 vom Sensor 1 detektierbar ist. Zusätzlich kann auch eine Drehbewegung des zylindrischen Messobjekts 8 um die Längsachse 9 von dem Sensor 1 erfasst werden.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 9 ist ein Sensor 1 mit einem streifen- oder rechteckförmigen Trägerkörper 2 gezeigt, dessen eine Seitenfläche die Mantelfläche 3 bildet, auf der eine Sendespule 4 und eine Empfängerspule 5 angeordnet sind. Beide Spulen 4, 5 erstrecken sich sowohl über die Breite als auch über die Länge des Trägerkörpers 2 und überdecken somit wesentliche Teile der Mantelfläche 3.
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Mithilfe des in 9 dargestellten Sensors 1 kann eine translatorische Bewegung eines Messobjektes 8 sensiert werden, so wie dies mit dem Doppelpfeil im Messobjekt 8 dargestellt ist.
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In allen gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Sendespulen und Empfängerspulen als gewickelte Spulen aus einem Spulendraht gefertigt, der mit einem Isolierlack versehen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009009085 A1 [0003]
- US 20190360840 A1 [0004]
