DE102022124159A1

DE102022124159A1 - Positionssensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102022124159A1
Application number: DE102022124159.9A
Authority: DE
Inventors: Felix Hüning
Original assignee: Fachhochschule Aachen
Current assignee: Fachhochschule Aachen
Priority date: 2022-09-21
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2042-09-22
Also published as: DE102022124159B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Positionssensorvorrichtung zur Bestimmung einer Absolutposition eines beweglichen ersten Teils relativ zu einem ortsfesten zweiten Teil mit einem mit dem beweglichen ersten Teil gekoppelter Codekörper, der dazu eingerichtet ist, eine Codespur mit einer Mehrzahl von in Spurrichtung aufeinanderfolgenden Codeelementen zu enthalten zur Bildung eines Codewortes, mit einer magnetischen Detektionseinrichtung zur Detektion der Codespur, wobei die Detektionseinrichtung zum einen an dem Codekörper befestigte und entlang der Spurrichtung in einem solchen Abstand gegenpolig zueinander angeordnete Permanentmagneten aufweist, dass der Abstand mit einer vorgegebenen Länge der jeweiligen Codeelemente übereinstimmt, und zum anderen eine Anzahl von ortsfest und quer zu dem Codekörper versetzt angeordnete Wiegandsensoren aufweist, wobei der Abstand des Wiegandsensors zu einer Erstreckungsebene der Permanentmagneten derart gewählt ist, dass bei Überdeckung des Wiegandsensors durch den Permanentmagneten ein Wiegandpuls in dem Wiegandsensor induziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionssensorvorrichtung zur Bestimmung einer Absolutposition eines beweglichen ersten Teils relativ zu einem ortsfesten zweiten Teil mit einem mit dem beweglichen ersten Teil gekoppelter Codekörper, der dazu eingerichtet ist, eine Codespur mit einer Mehrzahl von in Spurrichtung aufeinanderfolgenden Codeelementen zu enthalten zur Bildung eines Codewortes, mit einer magnetischen Detektionseinrichtung zur Detektion der Codespur.
Aus der EP 1 550 845 A1 ist ein Wiegandsensor bekannt, der als Positionsdetektor das zählende Erfassen von Rotations- oder Translationsbewegungen eines Körpers ermöglicht. Zu diesem Zweck weist der Körper einen Permanentmagneten auf, der bei Annäherung an den einen Draht aufweisenden Wiegandsensor in diesen einen Spannungspuls induziert. Die bekannte Sensorvorrichtung dient zum Zählen einer Bewegung, jedoch nicht zu einer Absolutpositionsbestimmung.
Aus der DE 10 2021 128 219 B3 ist eine Positionssensorvorrichtung zur Bestimmung einer Absolutposition eines beweglichen ersten Teils relativ zu einem ortsfesten zweiten Teil bekannt, bei der das erste Teil mit einem Codekörper fest verbunden ist. Der Codekörper weist eine Codespur mit einer Mehrzahl von in Spurrichtung aufeinanderfolgenden Codeelementen auf. Wenn die Codierung des Codekörpers beispielsweise ein Gray-Code ist, unterscheiden sich benachbarte Codewörter, die jeweils aus einer Anzahl von Codeelementen bestehen, nur in einer einzigen binären Ziffer. Der Hamming-Abstand benachbarter Codewörter ist hierbei stets 1. ist der Codekörper beispielsweise eine drehbar ausgebildete Codescheibe, steht jedes Codewort für einen bestimmten Drehwinkel des ersten Teils. Zur Erfassung des aktuellen Codewortes ist eine magnetische Detektionseinrichtung vorgesehen, mittels derer die Codespur an einer definierten Stelle erfasst werden kann. Die magnetische Detektionseinrichtung ist mit einer Signalverarbeitungseinheit verbunden, so dass das Codewort rekonstruiert und damit die Absolutposition des ersten Teils bestimmt werden kann. Nachteilig an der bekannten Positionssensorvorrichtung ist, dass die magnetische Detektionseinrichtung zwei Detektionsempfänger aufweisen muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Positionssensorvorrichtung zur Bestimmung einer Absolutposition eines beweglichen ersten Teils relativ zu einem ortsfesten zweiten Teil derart weiterzubilden, dass auf einfache Weise der Aufwand weiter reduziert werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung zum einen an dem Codekörper befestigte und entlang der Spurrichtung in einem solchen Abstand gegenpolig zueinander angeordnete Permanentmagneten aufweist, dass der Abstand mit einer vorgegebenen Länge der jeweiligen Codeelemente übereinstimmt, und zum anderen eine Anzahl von ortsfest und quer zu dem Codekörper versetzt angeordnete Wiegandsensoren aufweist, wobei der Abstand des Wiegandsensors zu einer Erstreckungsebene der Permanentmagneten derart gewählt ist, dass bei Überdeckung des Wiegandsensors durch den Permanentmagneten ein Wiegandpuls in dem Wiegandsensor induziert wird.
Nach der Erfindung ist der Codekörper mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten versehen, die derart angeordnet sind, dass ein Anfang und ein Ende eines in Richtung einer Codespur verlaufenden Codeelementes definiert ist. Der mit dem ersten Teil fest verbundene Codekörper führt beispielsweise eine Rotations- oder eine Translationsbewegung aus. Eine Detektion oder Abtastung des aktuellen Codewortes erfolgt mittels ortsfest angeordneter Wiegandsensoren, in denen ein Spannungspuls induziert wird, wenn sich die jeweiligen Permanentmagneten des Codekörpers in der Nähe des Wiegandsensors befinden undloder diesen überstreichen. Da die Permanentmagneten in Spurrichtung gegenpolig zueinander angeordnet sind, erfolgt mit jedem Überstreichen des Wiegandsensors durch die Permanentmagneten eine Ummagnetisierung eines Drahtes des Wiegandsensors, so dass ein entsprechender Spanungspuls induziert wird. Es lässt sich somit auf einfache Weise für jede Drehstellung oder Linearstellung des Codekörpers ein Codewort mittels Spannungspulse detektieren, die in einer Signalverarbeitungseinrichtung weiter verarbeitet werden zur Bestimmung des die Absolutposition des ersten Teils bestimmenden Codewortes. Vorteilhaft ermöglicht die Erfindung eine autarke und effektive Absolutpositionsbestimmung.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Codekörper als eine Codescheibe ausgebildet mit kreisringförmigen Codespuren. Die Permanentmagneten können radial oder tangential orientiert an der Codescheibe befestigt sein. In Übereinstimmung hierzu ist die Ausrichtung der Wiegandsensoren gleich zu den Permanentmagneten, damit ein entsprechender Impuls bei Überstreichen des Wiegandsensors durch die Permanentmagneten erfolgen kann. Durch die gleiche Ausrichtung der Permanentmagneten und des Wiegandsensors im Überdeckungszustand derselben wird die Induzierung eines Spannungspulses sichergestellt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Codescheibe mehrere Codespuren auf, wobei die Anzahl n der Codespuren die Anzahl der Bits je Codewort festlegt. Die jeweils den Codespuren zugeordneten Wiegandsensoren sind auf einer gemeinsamen radialen Geraden angeordnet, um eine definierte Referenz zu bilden.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist der Codekörper lediglich eine einzige Codespur auf. Ein Detektieren eines Codewortes mit n Bitstellen ist gegeben, wenn in Umfangsrichtung eine zu der Bitzahl n übereinstimmende Anzahl von Wiegandsensoren gleich verteilt angeordnet sind. Vorteilhaft können hierdurch platzsparend längere Codewörter und damit eine bessere Auflösung des Messergebnisses erzielt werden.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung zum einen mit dem Codekörper verbundene und in einem solchen Abstand zueinander angeordnete Kurzschlusselemente aus einem magnetisch leitenden Material aufweist, dass der Abstand mit einer vorgegebenen Länge der jeweiligen Codeelemente übereinstimmt, und zum anderen ein ortsfest und quer zu dem Codekörper versetzt und jeweils einer Codespur zugeordnetes Paar von gegenpolig zueinander angeordneten Permanentmagneten sowie zwischen den Permanentmagneten des Paares angeordneter Wiegandsensor aufweist, wobei ein Abstand zwischen den Permanentmagneten und einer Erstreckungsebene der Kurzschlusselemente derart klein ausgebildet ist, dass bei Überdeckung des Permanentmagneten durch das Kurzschlusselement ein Wiegandpuls in dem Wiegandsensor erzeugt wird.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Codekörper relativ einfach aufgebaut sein kann. Er weist lediglich magnetisch leitende Kurzschlusselemente auf. Die Permanentmagneten bilden zusammen mit dem Wiegandsensor eine gemeinsame Sensorbaueinheit, die je Spur jeweils einmalig vorhanden sein muss. Vorteilhaft kann hierdurch der Kostenaufwand für die Detektionsvorrichtung reduziert werden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Codekörper als eine Codescheibe ausgebildet, wobei die Codescheibe eine obere Fläche und eine beabstandet zu derselben angeordneten unteren Fläche aufweist. Zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche erstrecken sich die jeweils der Codespur zugeordneten Sensorbaueinheiten. Die Kurzschlusselemente verlaufen in Spurrichtung abwechselnd auf der oberen Fläche und der unteren Fläche, so dass bei Überstreichen der Sensorbaueinheit abwechselnd auf der oberen Seite und der unteren Seite ein Magnetfeld der Sensorbaueinheit kurzgeschlossen wird. Vorzugsweise ist die Sensorbaueinheit derart orientiert angeordnet, dass ein erster Permanentmagnet auf einer der oberen Fläche zugewandten Seite und ein gegenpolig ausgebildeter zweiter Permanentmagnet auf einer der unteren Fläche zugewandten Seite der Sensorbaueinheit angeordnet sind. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass beim Verdrehen der Codescheibe ein Anfang und ein Ende des Codeelementes detektiert wird.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die Sensorbaueinheiten tangential ausgerichtet. Kurzschlusselemente der Codescheibe finden sich in einer gemeinsamen Erstreckungsebene mit den Sensorbaueinheiten, die senkrecht zur Drehachse der Codescheibe verläuft. Zu diesem Zweck weisen die Kurzschlusselemente in axialer Richtung, wobei die Kurzschlusselemente abwechselnd in Spurrichtung auf einer radial inneren Seite und einer radial äußeren Seite der Codespur angeordnet sind. Somit ist gewährleistet, dass bei Verdrehung der Codescheibe abwechselnd ein erster Permanentmagnet und ein zweiter Permanentmagnet der Sensorbaueinheit überdeckt wird zur Induzierung des Spannungspulses. Vorteilhaft kann hierdurch die Codescheibe auf einer Seite offen ausgebildet sein.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Draufsicht auf eine mehrspurige Positionssensorvorrichtung mit einer Codescheibe und radial angeordneten Permanentmagneten,
2 einen Axialschnitt der Positionssensorvorrichtung gemäß 1,
3 eine Draufsicht auf eine mehrspurige Positionssensorvorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform, wobei die Permanentmagneten und die Wiegandsensoren tangential orientiert angeordnet sind,
4 eine Draufsicht auf eine einspurige Positionssensorvorrichtung mit in radialer Richtung angeordneten Permanentmagneten sowie einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Wiegandsensoren,
5 eine Draufsicht auf den Codekörper der Positionssensorvorrichtung gemäß 5,
6 eine Draufsicht auf eine Wiegandsensoranordnung der Positionsvorrichtung gemäß 5,
7 eine Draufsicht auf eine mehrspurige Positionssensorvorrichtung mit radial angeordneten Kurzschlusselementen des Codekörpers und spurbezogenen Sensorbaueinheiten, die jeweils aus einem mittleren Wiegandsensor und an gegenüberliegenden Seiten desselben gegenpolig angeordneten Permanentmagneten besteht,
8 ein Axialschnitt der Positionssensorvorrichtung gemäß 8,
9 eine Draufsicht auf eine Positionssensorvorrichtung mit tangential angeordneten Kurzschlusselementen, die mit den Sensorbaueinheiten in einer gemeinsamen Erstreckungsebene angeordnet sind, und
10 ein Axialschnitt der Positionssensorvorrichtung gemäß 10.

Die in den im Folgenden beschriebenen Positionssensorvorrichtungen dienen zur Absolutpositionsbestimmung eines beweglichen ersten Teils relativ zu einem ortsfesten zweiten Teil. Bei dem ersten Teil kann es sich um einen Bauteil, beispielsweise einem Rotor eines Motors, handeln. Bei dem zweiten Teil kann es sich beispielsweise um einen Stator als Bauteil eines Motors handeln. Gegebenenfalls kann sich das zweite Teil ebenfalls in einer Bewegung befinden. Dann würde hierbei die Position des ersten Bauteils relativ zu dem zweiten Bauteil bestimmt werden.
Die folgenden Ausführungsbeispiele beziehen sich ausschließlich auf die Absolutpositionsbestimmung von rotierenden Teilen. Alternativ ist es auch möglich, die Position von linear bewegten Bauteilen zu bestimmen.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß den 1 und 2 ist ein mit einem nicht dargestellten ersten (Bau-)teil gekoppelter Codekörper als eine Codescheibe 1 ausgebildet. Die Codescheibe 1 ist drehbeweglich um eine Achse A gelagert. Die Codescheibe 1 weist mehrere radial benachbarte Codespuren, im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Codespuren 2, 3, 4, auf, die sich jeweils in Umfangsrichtung der Codescheibe 1 erstrecken. Jede Codespur 2, 3, 4 weist eine Anzahl von Codeelementen 5 (mit Streifen gekennzeichnet) und Codeelementen 6 (weiß gekennzeichnet) auf, die sich in Umfangsrichtung U bzw. in Spurrichtung 7 abwechseln.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Codescheibe 1 als eine Gray-Codescheibe ausgebildet, die drei Codespuren 2, 3, 4 aufweist und somit sich dreistellige Codewörter bilden lassen. Der Gray-Code zeichnet sich dadurch aus, dass benachbarte Codewörter sich lediglich an einer Bitstelle unterscheiden. Die einen Codeelemente 5 können beispielsweise den Bitwert „0“ und die anderen Codeelemente 6 den Bitwert „1“ repräsentieren.
Ferner umfasst die Positionssensorvorrichtung eine Detektionseinrichtung, die aus einer Anzahl von Permanentmagneten 8 und einer Anzahl von Wiegandsensoren 9 besteht.
Wie aus 1 ersichtlich ist, sind die Permanentmagneten 8 an der Codescheibe 1 befestigt, und zwar in Spurrichtung 7 an einem Anfang 10 (vorderes Ende) und einem in Spurrichtung 7 gesehenen Ende 11 (hinteres Ende) der Codeelemente 5 bzw. der Codeelemente 6. Sie dienen zur Kennzeichnung des Anfangs 10 und des Endes 11 der Codeelemente 5, 6, die jeweils eine vorgegebene Länge in Spurrichtung 7 aufweisen. Deswegen kann der Bereich zwischen dem Anfang 10 und Ende 11 der Codeelemente 5, 6 beliebig ausgebildet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Codeelemente 5, 6 nur deswegen gekennzeichnet, damit der Betrachter die Gray-Codierung der Codescheibe 1 visuell erkennen kann.
Die die Codeelemente 5, 6 in Spurrichtung 7 begrenzenden Permanentmagneten 8 sind in Spurrichtung 7 gegenpolig zueinander angeordnet. So ist erkennbar, dass am Anfang 10 der Codeelemente 6 ein Nordpol N der Permanentmagneten 8 auf einer radial gesehen äußeren Seite der Codespur 2, 3, 4 und ein Südpol S auf einer radial gesehen inneren Seite der Codespur 2, 3, 4 angeordnet ist. Der Anfang 10 der Codeelemente 6 ist zugleich das Ende 11 der Codeelemente 5. Ein Ende 11 der weißen Codeelemente 6 bildet zugleich den Anfang 10 der Codeelemente 5. Am Ende 11 der weißen Codeelemente 6 ist der Nordpol N der Permanentmagneten 8 auf einer radial gesehen inneren Seite der Codespur 2, 3, 4 und der Südpol S radial gesehen auf der äußeren Seite der Codespur 2, 3, 4 angeordnet.
Die radial alternierend angeordneten Permanentmagneten 8 an den Grenzen 10, 11 der Codeelemente 5, 6 sind dazu erforderlich, damit bei der Drehbewegung der Codescheibe 1 relativ zu den jeweils den Codespuren 2, 3, 4 zugeordneten Wiegandsensoren 9 an denselben mit Überstreichen der Permanentmagneten 8 ein Spannungsimpuls induziert wird, der dann in einer Signalverarbeitungseinrichtung 12 weiter verarbeitet wird zu einem Messsignal undloder als Pulssignal gespeichert wird. Die Generierung des Wiegandpulses (Spannungspulses) basiert auf einer Änderung eines auf einem Draht des Wiegandsensors 9 einwirkenden magnetischen Flusses. Befindet sich beispielsweise der am Anfang 10 des Codeelementes 6 angeordnete Permanentmagnet 8 in einem Überdeckungszustand zu dem Wiegandsensor 9, so dass das Magnetfeld des Permanentmagneten 8 auf den Draht des Wiegandsensors 9 einwirkt, wird entlang des Drahtes des Wiegandsensors 9 ein Spannungspuls einer ersten Polarität induziert. Dieser beispielsweise positive Puls kann zur Detektion einer logischen Eins dienen. Wird bei Weiterdrehung der Codescheibe 1 das Ende 11 der Codeelemente 6 in Überdeckung zu dem Wiegandsensor 9 gebracht (Überdeckungszustand), wird aufgrund der Gegenpoligkeit des Permanentmagneten 8 ein negativer Spannungspuls induziert, der in der Signalverarbeitungseinrichtung 12 als Wechsel von der logischen Eins in eine logische Null interpretiert werden kann.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Wiegandsensoren 9 in einer gemeinsamen Erstreckungsebene Ew angeordnet, die sich unterhalb einer Erstreckungsebene Es der Codescheibe 1 befindet. Die Permanentmagneten 8 sind auf einer dem Wiegandsensor 9 zugewandten Seite der Codescheibe 1 angeordnet, vorzugsweise bündig zu der Flachseite der Codescheibe 1. Ein sich zwischen der Codescheibe 1 und den Wiegandsensoren 9 ergebender Spalt 13 liegt in einem Millimeterbereich. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass bei Überdeckung des Wiegandsensors 9 durch den vorzugsweise auf einer den Wiegandsensoren 9 zugewandten Seite der Codescheibe 1 angeordneten Permanentmagneten 8 ein Spannungspuls induziert wird.
Die Wiegandsensoren 9 sind zur Bildung einer Referenz auf einer gemeinsamen gedachten Linie (Gerade) angeordnet, die in radialer Richtung weist.
Da die Permanentmagneten 8 in radialer Richtung orientiert angeordnet sind, sind auch die Wiegandsensoren 9 in radialer Richtung orientiert angeordnet. Der Draht des Wiegandsensors 9 muss bei Überdeckung durch die Permanentmagneten 8 in gleiche Richtung weisen wie eine Achse A_M der Permanentmagneten 8.
Es ist ersichtlich, dass auf den kreisbogenförmigen Codespuren 2, 3, 4 jeweils eine gerade Anzahl von Permanentmagneten 8 angeordnet ist.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung gemäß 3 sind im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 und 2 die Permanentmagneten 8 statt in radialer Richtung in tangentialer Richtung angeordnet. Achsen A_M der Permanentmagneten 8 verlaufen in tangentialer Richtung. In Übereinstimmung hierzu sind die jeweils den Codespuren 2, 3, 4 zugeordneten Wiegandsensoren 9 ebenfalls in tangentialer Richtung orientiert angeordnet, wobei die Achsen Aw der Wiegandsensoren tangential verlaufen. Wie nach der ersten Ausführungsform der Erfindung sind jeder Codespur 2, 3, 4 genau ein einziger Wiegandsensor 9 zugeordnet.
Die Codeelemente 5 und 6 der Codespuren 2, 3, 4 weisen jeweils eine in Umfangsrichtung U bzw. in Spurrichtung 7 verlaufende Länge sowie eine relative Anordnung zueinander auf, dass der gewünschte Gray-Code abbildbar ist. Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform der Erfindung können die Längen sowie die Anordnung der Codeelemente 5, 6 entsprechend eines anderen Codes ausgebildet sein. Zur Ermittlung des Wechsels von einer binären „0“ in eine binäre „1“ müssen an den entsprechenden Stellen der Codescheibe 1 die Permanentmagneten 8 angeordnet sein.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß den 4 bis 6 ist im Unterschied zu den vorgenannten Ausführungsformen eine Codescheibe 1' vorgesehen, die einen drehbar gelagerten Scheibenabschnitt 27 mit lediglich einer einzigen Codespur 14 aufweist. Entsprechend der Ausführungsform gemäß 1 und 2 sind die Grenzen zwischen den Codeelementen 5, 6 durch radial ausgerichtete Permanentmagneten 8 gekennzeichnet. Damit trotzdem ein Codewort mit mehreren Bitstellen, also beispielsweise N-Bitstellen, umgesetzt werden kann, ist der Codespur 14 eine Sensorscheibe 15 mit in Umfangsrichtung U verteilt angeordneten N-Wiegandsensoren 9 vorgesehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sechs Wiegandsensoren 9 auf der Sensorscheibe 15 angeordnet, und zwar in Umfangsrichtung U gleich verteilt angeordnet, so dass ein 6-Bit-Codewort erstellbar ist. Benachbarte Wiegandsensoren 9 schließen somit einen Winkel φ von 60° ein. Auf diese Weise können gleichzeitig sechs Detektionen vorgenommen werden, wobei bei Überdeckung der Permanentmagneten 8 zu den jeweiligen Wiegandsensoren 9 entsprechende Spannungspulse induziert werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß den 7 und 8 sind im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die Permanentmagneten 8 nicht in der Codescheibe 1 integriert, sondern bilden zusammen mit dem Wiegandsensor 9 eine Sensorbaueinheit 16. Die Sensorbaueinheit 16 besteht aus dem Wiegandsensor 9 und zwei an gegenüberliegenden Seiten desselben gegenpolig zueinander verlaufende Permanentmagneten 8. Jede Sensorbaueinheit 16 weist somit ein Paar 17 von gegenpolig zueinander angeordneten Permanentmagneten 8 auf. Diese Sensorbaueinheiten 16 sind - wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen - auf einer radialen Geraden angeordnet, wobei jeder Codespur 2, 3, 4 einer Codescheibe 1" eine einzige Sensorbaueinheit 16 zugeordnet ist. Die Sensorbaueinheiten 16 sind ortsfest angeordnet bzw. mit dem zweiten Bauteil verbunden. Die Codescheibe 1" weist zur Kennzeichnung des Anfangs 10 und des Endes 11 von Codeelementen 5, 6 Kurzschlusselemente 18, 18' auf, die jeweils aus einem magnetisch leitenden Material bestehen. In Spurrichtung 7 zwischen den Kurzschlusselementen 18, 18' befindet sich ein magnetisch nichtleitendes Material oder es ist eine Aussparung vorgesehen. Im letzteren Fall werden die Codespuren 2, 3, 4 durch kreisförmige Streben gebildet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Codescheibe 1" eine obere Fläche 19 und eine beabstandet zu derselben angeordnete untere Fläche 20 auf. Zwischen der oberen Fläche 19 und der unteren Fläche 20 sind die Sensorbaueinheiten 16 angeordnet. Die obere Fläche 19 der Codescheibe 1" weist zur Kennzeichnung von Anfängen 10 der Codeelemente 5 obere Kurzschlusselemente 18 auf, während zur Kennzeichnung des Endes 11 der Codeelemente 5 die untere Fläche 20 der Codescheibe 1" untere Kurzschlusselemente 18' aufweisen. Die Kurzschlusselemente 18, 18' sind vorzugsweise gleich ausgebildet und weisen eine radiale Erstreckung auf, die im Wesentlichen gleich ist zu einer radialen Erstreckung der Permanentmagneten 8 der Sensorbaueinheiten 16.
Wie besser aus 8 ersichtlich ist, befinden sich die Sensorbaueinheiten 16 zwischen der oberen Fläche 19 und der unteren Fläche 20. Auf einer der oberen Fläche 19 zugewandten Seite ist ein erster Permanentmagnet 21 als oberer Permanentmagnet angeordnet. Auf einer der unteren Fläche 20 zugewandten Seite der Sensorbaueinheit 16 ist als ein zweiter Permanentmagnet 22 als ein unterer Permanentmagnet angeordnet. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die oberen Kurzschlusselemente 18 mit dem oberen Permanentmagneten 21 und die unteren Kurzschlusselemente 18' mit den unteren Permanentmagneten 22 zusammenwirken.
Ohne Einwirkung der Permanentmagneten 21, 22 bilden sich an der Sensorbaueinheit 16 zwei Magnetfelder aus, die quer zur Richtung des Wieganddrahtes verlaufen, nämlich von dem Nordpol N des oberen Permanentmagneten 21 in Richtung des Südpols S des unteren Permanentmagneten 22 und vom Nordpol N des unteren Permanentmagneten 22 in Richtung des Südpols S des oberen Permanentmagneten 21. Überstreicht das Kurzschlusselement 18, 18' den ihm zugewandten oberen Permanentmagneten 21 des Paares 17 von Permanentmagneten 21, 22, wird dieser Permanentmagnet 21 kurzgeschlossen, so dass auf den Wiegandsensor 9 lediglich das um 90° gedrehte Magnetfeld des anderen Permanentmagneten 22 wirkt, und das am Wiegandsensor 9 anliegende Magnetfeld von Null auf einen vorgegebenen Wert springt. Hierdurch wird ein entsprechender Spannungsimpuls in dem Draht des Wiegandsensors 9 induziert. Wird der andere Permanentmagnet 22 durch Überdeckung des anderen Kurzschlusselementes 18' kurzgeschlossen, erfolgt eine Umkehrung der Magnetfeldrichtung in entgegengesetzter Richtung, so dass durch wechselweises Kurzschließen der Permanentmagneten 21, 22 positive Spannungspulse und negative Spannungspulse erzeugt werden, die zur Bestimmung eines Wechsels von einer logischen „0“ in eine logische „1“ und umgekehrt genutzt werden können.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß den 9 und 10 ist eine Codescheibe 1''' vorgesehen, die von einer Fläche 23 der Codescheibe 1''' abragende Kurzschlusselemente 24, 24' aufweist. Jeder Codespur 2, 3, 4 der Codescheibe 1''' sind in Spurrichtung 7 abwechselnd an angeordnete innere Kurzschlusselemente 24, die auf einer radial inneren Seite der jeweiligen Codespur 2, 3, 4 angeordnet sind, und äußere Kurzschlusselemente 24`, die auf einer radial äußeren Seite der jeweiligen Codespur 2, 3, 4 angeordnet sind. Die Kurzschlusselemente 24, 24' sind als Kurzschlussstege ausgebildet, die in axialer Richtung und in tangentialer Richtung orientiert angeordnet sind. In Übereinstimmung zu der tangentialen Erstreckungskomponente der Kurzschlussstege 24, 24' weisen die Sensorbaueinheiten 16 ebenfalls Permanentmagneten 25, 26 mit einer Polachse in tangentialer Richtung auf, wobei ein erster innerer Permanentmagnet 25 auf einer dem inneren Kurzschlusssteg 24 zugewandten Seite der Sensorbaueinheit 16 und ein zweiter äußerer Permanentmagnet 26 auf einer dem äußeren Kurzschlusssteg 24' zugewandten Seite der Sensorbaueinheit 16 angeordnet ist.
Der Abstand der ersten inneren Permanentmagneten 25 zu dem inneren Kurzschlusssteg 24 und des zweiten äußeren Permanentmagneten 26 zu dem äu-ßeren Kurzschlusssteg 24' bei Überdeckung mit denselben ist so gewählt, dass der den jeweiligen Kurzschlusssteg 24, 24' zugewandte Permanentmagnet 25, 2 kurzgeschlossen wird, während der gegenüberliegende Permanentmagnet 26, 25 mit seinem Magnetfeld auf den Wiegandsensor 9 wirkt.
Gleiche Bauteile der Ausführungsbeispiele sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1550845 A1 [0002]
DE 102021128219 B3 [0003]

Claims

Positionssensorvorrichtung zur Bestimmung einer Absolutposition eines beweglichen ersten Teils relativ zu einem ortsfesten zweiten Teil - mit einem mit dem beweglichen ersten Teil gekoppelter Codekörper (1, 1', 1'', 1'''), der dazu eingerichtet ist, eine Codespur (2, 3, 4) mit einer Mehrzahl von in Spurrichtung (7) aufeinanderfolgenden Codeelementen (5, 6) zu enthalten zur Bildung eines Codewortes, - mit einer magnetischen Detektionseinrichtung zur Detektion der Codespur (2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung - zum einen an dem Codekörper (1, 1') befestigte und entlang der Spurrichtung (7) in einem solchen Abstand gegenpolig zueinander angeordnete Permanentmagneten (8) aufweist, dass der Abstand mit einer vorgegebenen Länge der jeweiligen Codeelemente (5, 6) übereinstimmt, und - zum anderen eine Anzahl von ortsfest und quer zu dem Codekörper (1, 1') versetzt angeordnete Wiegandsensoren (9) aufweist, wobei der Abstand (13) des Wiegandsensors (9) zu einer Erstreckungsebene (ES) der Permanentmagneten (8) derart gewählt ist, dass bei Überdeckung des Wiegandsensors (9) durch den Permanentmagneten (8) ein Wiegandpuls in dem Wiegandsensor (9) induziert wird.
Positionssensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Codekörper (1, 1') als eine um eine Drehachse (A) bewegbar angeordnete Codescheibe ausgebildet ist, wobei die Codespur (2, 3, 4) kreisringsförmig verläuft, und dass die Permanentmagneten (8) und die Wiegandsensoren (9) je Codespur (2, 3, 4) radial oder tangential orientiert angeordnet sind.
Positionssensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Codescheibe (1, 1') als eine Gray-CodeScheibe ausgebildet ist.
Positionssensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Permanentmagneten (8), die einer Codespur (2, 3, 4) zugeordnet sind, gerade ist.
Positionssensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (13) der Codescheibe (1, 1') zu einer parallel zu derselben verlaufenden Erstreckungsebene (Ew) der Wiegandsensoren (9) im Millimeterbereich liegt.
Positionssensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Codescheibe (1, 1') mehrere kreisringförmige Codespuren (2, 3, 4) aufweist, wobei den Codespuren (2, 3, 4) jeweils ein einziger Wiegandsensor (9) zugeordnet ist, und dass die Wiegandsensoren (9) in radialer Richtung zu der Codescheibe (1, 1') auf einer senkrecht zur Achse (A) derselben verlaufenden Geraden angeordnet sind.
Positionssensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Codescheibe (1') lediglich eine einzige Codespur (14) aufweist und dass der Codespur (14) eine Anzahl n von Wiegandsensoren (9) zugeordnet ist, die in Umfangsrichtung (U) gleich verteilt angeordnet sind, zur Bildung eines n-stelligen Codewertes.
Positionssensorvorrichtung zur Bestimmung einer Absolutposition eines beweglichen ersten Teils relativ zu einem ortsfesten zweiten Teil - mit einem Codekörper (1'''), der dazu eingerichtet ist, eine Codespur (2, 3, 4) mit einer Mehrzahl von in Spurrichtung aufeinanderfolgenden Codeelementen (5, 6) zu enthalten zur Bildung eines Codewortes, - mit einer magnetischen Detektionseinrichtung zur Detektion der Codespur (2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung - zum einen mit dem Codekörper (1'', 1''') verbundene und in einem solchen Abstand zueinander angeordnete Kurzschlusselemente (18, 18'; 24, 24') aus einem magnetisch leitenden Material aufweist, dass der Abstand mit einer vorgegebenen Länge der jeweiligen Codeelemente (5, 6) übereinstimmt, und - zum anderen ein ortsfest und quer zu dem Codekörper (1'', 1''') versetzt und jeweils einer Codespur (2, 3, 4) zugeordnetes Paar (17) von gegenpolig zueinander angeordneten Permanentmagneten (8) sowie zwischen den Permanentmagneten (8) des Paares (17) angeordneter Wiegandsensor (9) aufweist, wobei ein Abstand zwischen den Permanentmagneten (8) und einer Erstreckungsebene der Kurzschlusselemente (18, 18') derart klein ausgebildet ist, dass bei Überdeckung des Permanentmagneten (8) durch das Kurzschlusselement (18, 18'; 24, 24") ein Wiegandpuls in dem Wiegandsensor (9) erzeugt wird.
Positionssensorvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Codekörper (1'', 1''') als eine um eine Drehachse (A) bewegbar angeordnete Codescheibe (1'', 1''') mit mehreren kreisringförmig verlaufenden Codespuren (2, 3, 4) ausgebildet ist und dass die Wiegandsensoren (9) in radialer Richtung zu der Codescheibe (1'', 1''') auf einer senkrecht zur Achse (A) derselben verlaufenden radialen Geraden angeordnet sind.
Positionssensorvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar (17) von Permanentmagneten (8) und der denselben zugeordnete Wiegandsensor (9) eine Sensorbaueinheit (16) bilden, wobei eine Achse (Aw) des Wiegandsensors (9) und Polachsen (A_M) der auf gegenüberliegenden Seiten desselben angeordneten Permanentmagneten (8) parallel zueinander verlaufen.
Positionssensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Codescheibe (1") eine obere Fläche (19) und eine beabstandet zu derselben angeordnete untere Fläche (20) aufweist, zwischen denen die Sensorbaueinheiten (16) radial ausgerichtet angeordnet sind, wobei ein erster Permanentmagnet (21) der Sensorbaueinheit (16) auf einer der oberen Fläche (19) zugewandten Seite der Sensorbaueinheit (16) als oberer Permanentmagnet (21) und ein zweiter Permanentmagnet (22) der Sensorbaueinheit (16) auf einer der unteren Fläche (20) zugewandten Seite derselben als unterer Permanentmagnet (22) angeordnet ist, und dass die Kurzschlusselemente (18, 18') je Codespur (2, 3, 4) in Spurrichtung abwechselnd an der oberen Fläche (19) und der unteren Fläche (22) angeordnet sind, wobei die Kurzschlusselemente (18, 18') die Codespur (2, 3, 4) in radialer Richtung überdecken.
Positionssensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlusselemente (24, 24') axial von einer Fläche (23) der Codescheibe (1''') abragen, wobei die jeweils einer Codespur (2, 3, 4) zugeordneten Kurzschlusselemente (23, 24') in Spurrichtung (7) abwechselnd als innere Kurzschlusselemente (24) auf einer radial inneren Seite und als äußere Kurzschlusselemente (24') auf einer radial äußeren Seite der Codespur (2, 3, 4) angeordnet sind, und dass die Sensorbaueinheiten (16) tangential ausgerichtet angeordnet sind, wobei ein erster Permanentmagnet (25) der Sensorbaueinheit (16) auf einer dem inneren Kurzschlusselement (24) zugewandten Seite der Sensorbaueinheit (16) als innerer Permanentmagnet (25) und ein zweiter Permanentmagnet (26) der Sensorbaueinheit (16) auf einer dem äußeren Kurzschlusselement (24') zugewandten Seite der Sensorbaueinheit (16) als äußerer Permanentmagnet (26) angeordnet ist.
Positionssensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschlusselement (18, 18'; 24, 24') eine solche in tangentialer Richtung weisende Erstreckung aufweist, die im Wesentlichen gleich zu einer tangentialen Erstreckung des ersten Permanentmagneten (21, 25) und des zweiten Permanentmagneten (22, 26) ist.
Positionssensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wiegandsensor (9) in der gleichen Richtung orientiert angeordnet ist wie Permanentmagneten (8).
Positionssensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalverarbeitungseinrichtung (12) mit dem Wiegandsensor (9) verbunden ist zur Speicherung des Wiegandpulses und/oder zur Umwandlung des Wiegandpulses in ein weiterverarbeitbares Messsignal.