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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Wegaufnehmer nach
dem Oberbegriff des Hauptanspruchs 1.
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Neben
aus dem Stand der Technik bekannten induktiv wirkenden Wegaufnehmern,
bei welchen mit Hilfe von mehreren Spulen eine Bewegung bzw. Positionsveränderung
einer Gebereinheit gemessen werden kann, ist es auch aus dem Stand
der Technik bekannt, als sogenannte magnetische Wegaufnehmer eine
relativ zu einer stationären
Magnetanordnung bewegbare Gebereinheit vorzusehen, welche über einen
(wegproportional variablen) Luftspalt Bestandteil eines magnetischen
Kreises ist. Durch gattungsgemäß bekannte
Magnetfelderfassung an bzw. in diesem Magnetkreis, insbesondere
am variablen Magnetspalt, entsteht durch das Feldstärkesignal
ein wegproportionales, elektronisch auswertbares Signal.
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Allerdings
ist diese grundsätzlich
als bekannt vorauszusetzende Technologie in der praktischen Realisierung
nicht unproblematisch, denn insbesondere Toleranzen oder Spiel der
Gebereinheit relativ zur Magnetanordnung (bzw. magnetflussleitenden Abschnitten
der Magnetanordnung zum Bestimmen des Magnetspalts) beeinflussen
die Genauigkeit der Messung. Insbesondere nämlich ein radiales Spiel einer
axial geeignet in einer Führung,
z. B. einem nicht-magnetischem Führungsrohr,
geführten
Gebereinheit wirkt sich unmittelbar ergebnisverfälschend auf die Wegmessung
aus, so dass in der praktischen Realisierung bekannter Vorrichtungen
beachtlicher Aufwand notwendig ist, um zuverlässige, toleranzarme und genaue
Wegmesssysteme zu realisieren. Dieser Umstand wird weiter erschwert
durch Anwendungen etwa in thermisch oder durch andere Umweltbedingungen
beeinflusste Umgebungen, und eine zusätzliche Problematik entsteht
etwa durch Verschleiß od.
dgl. veränderliche
Toleranzen während
des praktischen Einsatzes.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen magnetisch wirksamen
Wegaufnehmer nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs im Hinblick
auf eine einfache konstruktive Realisierung, gleichzeitig verbesserte
Mess- bzw. Aufnehmergenauigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Fertigungs-,
Montage- und/der
Umwelttoleranzen zu verbessern.
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Die
Aufgabe wird durch die magnetischen Wegaufnehmer mit den Merkmalen
des Hauptanspruchs gelöst;
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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In
erfindungsgemäß vorteilhafter
Weise weisen die stationären
Mittel zur Magnetfelderfassung mindestens zwei Magnetfeldsensoren
auf, die, bezogen auf die Gebereinheit, axial und/oder radial voneinander
beabstandet vorgesehen sind und jeweils, bezogen auf die Gebereinheit,
einen positions- und/oder bewegungsveränderlichen Luftspalt durch ein
jeweils zugehöriges
magnetisches Feldstärkesignal
erfassen und einer nachfolgenden Auswertung zuführen. Vorteilhaft ermöglicht es
dann eine Verschaltung dieser Einzelsensoren, ein resultierendes gemeinsames
Weg- und/oder Positionssignal zu erzeugen, welches bevorzugt (etwa
durch Ausgestaltung der jeweiligen magnetischen Kreise bzw. Positionierung
der Magnetfeldsensoren) eine kompensierende Wirkung im Hinblick
auf Maß-
und Montagetoleranzen bzw. Positionsfehler besitzt.
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Dabei
ist es einerseits bevorzugt im Rahmen der Erfindung vorgesehen,
die Gebereinheit als langgestreckten Körper aus magnetisch leitendem
Material auszubilden, wobei dieser zum Ausbilden eines axial positionsabhängig veränderlichen
Luftspalts eine radiale Profilierung aufweist, welche dann mit einem
geeignet radial vorgesehenen Flussleitabschnitt zum Erzeugen eines
positionsabhängigen
Signals zusammenwirkt. Dabei kann die Profilierung, etwa zum Erzeugen
eines Schalteffekts, bevorzugt eine (radiale) Stufe aufweisen, ergänzend oder
alternativ ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die Profilierung
konusförmig
(bzw. gar bis zu einer Spitze zulaufend) auszubilden, ergänzend oder
alternativ eine Kugel- bzw. Kugelabschnitts- oder Kalottenform vorzusehen,
ebenso wie es im Rahmen der Erfindung liegt, mehrere gestuft vorgesehene
Ringabsätze
vorzusehen, um insoweit ein gestuftes (nicht kontinuierliches) Signal
zu erzeugen.
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Im
Rahmen bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung liegt es zudem, die Profilierung in Form mehrerer,
weiter bevorzugt voneinander getrennter Profilabschnitte entlang
der axialen Erstreckung der Gebereinheit vorzusehen, so dass etwa, bei
jeweils endseitigem Vorsehen eines Profilierungsabschnitts, in besonders
günstig
auflösender Weise
Kompensationseffekte realisiert werden können.
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Magnetisch
ist es im Rahmen der Erfindung bevorzugt, die stationäre Magnetanordnung
mit mindestens einem Permanentmagneten auszugestalten, welcher dann
mit geeignet flussleitenden Elementen aus magnetisch leitendem Material
zusammenwirkt. Geeignet kann hierdurch auch ein etwa eine Führung der
Gebereinheit umschließendes
Gehäuse
gebildet sein.
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Je
nach beabsichtigtem Mess- und Kompensationszweck ist es dabei von
der Erfindung umfasst, Magnetfeldsensoren der Magnetfelderfassungsmittel radial
verteilt, etwa sternförmig
mit drei oder mehr Einzelsensoren auszubilden, wobei deren Verschaltung,
etwa im Wege einer Reihenschaltung, dann ein besonders gut gegen
radiale Toleranzen bzw. Asymmetrie kompensiertes Signal erzeugt.
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Gleichermaßen alternativ
und ergänzend
im Rahmen der Erfindung ist es bevorzugt, die Magnetfeldsensoren
axial verteilt entlang der Gebereinheit vorzusehen, wobei weiterbildungsgemäß eine bevorzugt
paarweise Schaltung orthogonal zueinander angeordneter Magnetfeldsensoren
eine Mittendetektion bzw. eine Nulllagendetektion ermöglicht und,
im Rahmen eines elektronischen Messkontext, insbesondere auch das
Erfassen etwaiger Korrektur- bzw. Eichwerte nach einer (bevorzugt
automatischen) Montage ermöglicht,
so dass zusätzlich
Vorteile im Hinblick auf eine automatisierte Fertigung realisierbar
sind.
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Im
Ergebnis ermöglicht
die vorliegende Erfindung die Realisierung eines konstruktiv einfachen, robusten
und messtechnisch zuverlässigen
Wegaufnehmers, welcher auf elegante Weise die Problematik toleranzbehafteter
Geberführungen überwindet und
der magnetischen Wegdetektion potentiell neue Anwendungsgebiete
erschließt.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1:
eine schematische, teilweise aufgeschnittene Perspektivansicht des
magnetischen Wegaufnehmers gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform;
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2:
eine Schemaansicht zum Verdeutlichen des magnetischen Flussverlaufs
in der Anordnung eines Wegaufnehmers der 1;
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3:
eine Schemaansicht zum Verdeutlichen möglicher geeigneter Magnetfeldsensorpositionen
zur Magnetfelderfassung der Vorrichtung gemäß 1;
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4, 5:
Längsschnittansichten
zum Verdeutlichen der Problematik einer unerwünschten Toleranz bzw. eines
schädlichen
Spiels in der Führung
der Gebereinheit;
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6, 7:
Schemaansichten zum Verdeutlichen möglicher radialer Sensorpositionen
bezogen auf eine Profilierung an einer Gebereinheit;
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8 bis 10:
alternative Ausführungsformen
relativ zur Darstellung der 4, 5 mit axial
beidends der Gebereinheit vorgesehenen Magnetfeldsensoren;
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11:
schematische Kurvenverläufe
zum Verdeutlichen einer (Magnetfeld-)Signalstärke relativ zu einer Längsposition;
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12:
ein Schemaschaltbild zum Verdeutlichen eines summarischen Verschaltens
zweier Magnetfeldsensoren, etwa gemäß 4, 5;
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13 bis 19:
verschiedene Profilformen und -gestaltungen der erfindungsgemäßen Profilierung
an der Gebereinheit und
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20, 21:
mögliche
Sensorkonfigurationen und zum Bewirken einer weiterbildungsgemäß vorgesehenen
Nulllagen-Detektionsfunktion für
die Gebereinheit.
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Die 1 zeigt
ein zweischaliges Gehäuse 10, 12 aus
magnetischem Material beidseits eines Permanentmagnetrings 14,
wobei das Gehäuse
eine Führung
für eine
stiftförmige
Gebereinheit 16, bestehend aus einem Führungsrohr 18 sowie
einem Zwischenstück,
hier 20, jeweils bestehend aus nicht-magnetischem Material,
umschließt.
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Über (nicht
näher im
Detail gezeigte) radiale flussleitende Elemente 22 bildet
sich der in 2 schematisch gezeigte magnetische
Kreis, welcher über
Luftspalte 24 bzw. 26 axial durch die Gebereinheit 16 fließend geschlossen
wird.
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Eine
im Ausführungsbeispiel
der 1, 2 als spitz zulaufender Kegel 28 gebildete
endseitige Profilierung 28 an der Gebereinheit 16 verdeutlicht,
dass, je nach axialer Position des im Führungsrohr 18 verschiebbaren
Stifts 16, etwa der Luftspalt 24 mehr oder weniger
groß ist,
mithin also ein dort messbares Magnetfeld positions- bzw. bewegungsabhängig schwankt.
Genauer gesagt sind im Rahmen der Erfindung Magnetfeldsensoren 30 vorgesehen,
welche geeignet positioniert den sich positionsabhängig ändernden
Feldverlauf erfassen und in entsprechend elektronisch auswertbare
Signale umsetzen, wobei das Prinzipschaltbild der 3 verschiedene
mögliche
Sensorpositionen der jeweiligen Magnetfeldsensoren 30 zeigt;
die weiteren, symbolisch gezeichneten Aggregate entsprechen insoweit funktional
dem Ausführungsbeispiel
der 1, 2.
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Anhand
der 4 bis 6 wird nachfolgend erläutert, wie
eine Mehrzahl von radial angeordneten Magnetfeldsensoren relativ
zur Gebereinheit das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem
potentiell schädlicher
Toleranzen löst.
Zu diesem Zweck verdeutlicht die Gegenüberstellung der Längsschnittdarstellungen
der 4 und 5 die Auswirkung entsprechender
Toleranzen auf den Luftspalt, wobei das jeweils gestrichelt gezeigte
Oval 37 einen (toleranzbedingt) unterschiedlichen Abstand
zwischen Geberstift 16 und umgebendem Führungsrohr 18 aufzeigt,
was sich entsprechend auf den Luftspalt 24 auswirkt. Durch
Anordnung einer Mehrzahl, im Ausführungsbeispiel der 6 von
drei radial verteilten, im Ausführungsbeispiel
der 7 von acht radial verteilten Einzelsensoren lässt sich nunmehr
durch Überlagerung
bzw. Summation der Einzel-Sensorsignale
eine Kompensation dieser unerwünschten
Effekte erzielen: Indem nämlich,
vergleiche 5 relativ zur 4,
ein gleichmäßig umlaufender
Spalt 24 (4) toleranzbedingt zu einem radial
umlaufend veränderlichen
Spalt mit einem größeren Abstand 24' und einem kleineren
Abstand 24'' wird, lässt sich
durch Addition der Einzelsignale der jeweiligen Magnetsensoren 30 dieser
Effekt kompensieren.
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Ein
entsprechendes Beispiel-Schaltbild zeigt die 12: Gezeigt
ist, wie ein Paar von jeweils individuell mit Betriebsspannung U
versorgten Sensoren signalseitig in Reihenschaltung zusammengefügt ist und
ein gemeinsames Feldstärkesignal
V erzeugt, welches den Spalteffekt der 5 kompensiert:
Ein Magnetfeldsignal, das dem Spalt 24 entspricht, schwächt sich
für den
erweiterten Spalt 24' ab
und verstärkt
sich dagegen für
den verkleinerten Spalte 24'', so dass eine
Addition des dem Spalt 24' entsprechendes
Signals zum Signal des Spalts 24'' insoweit
kompensierend bzw. ausgleichend wirkt.
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Die
Ausführungsbeispiele
der 8 bis 10 verdeutlichen weitere Varianten
der Erfindung, wobei hier zusätzlich
axial verteilt vorgesehene Sensoren 32 (gegenüber Ausführungsbeispielen
der 4, 5) vorgesehen sind. Dabei lässt sich
bevorzugt, etwa entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 8,
in der Form einer Brückenschaltung eine
besonders feine Kompensation einer Verkippung bzw. anderer Schräglage der
Gebereinheit im Führungsrohr
erreichen. Die Ausführungsbeispiele der 9 und 10 mit
einer zusätzlichen
Profilierung (bzw. abschnittsweisen Profilierung, 9)
ermöglichen
eine erweiterte Längenauflösung und/oder
eine zusätzliche
Verfeinerung der Längendetektion,
wie etwa anhand des doppelten Signal-Längendiagramms der 11 gezeigt.
Dabei liegt es im Rahmen einer jeweiligen Konfiguration, eine Kennlinie
bzw. einen Arbeitspunktbereich einzustellen.
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Da
generell die Sensivität
(und damit die potentielle Auflösung)
von der Durchmesseränderung der
Gebereinheit pro Länge
abhängt,
ist damit mit einem vorgegebenen Maximaldurchmesser des Gebers ein
langer Messweg mit geringer Sensivität (etwa entsprechendem konischen
Verlauf) möglich, oder
ein kurzer Messweg hoher Sensivität, indem mehrere aufeinanderfolgende
Durchmesseränderungen
folgen, wie es etwa aus der Gegenüberstellung der oberen und
der unteren Graphik der 11 erkennbar
ist. Entsprechend bietet es sich an, durch geeignete Ausgestaltung
der Profilierung (näheres hierzu
unten im Zusammenhang mit den 13 bis 19)
eine Empfindlichkeit, eine Längsauflösung, gewünschte Sprünge od.
dgl. zu entwerfen, wobei gegebenenfalls auch eine mögliche Unbestimmtheit, d.
h. eine nicht mehr umkehrbar eindeutige Zuordnung von Signalhöhe und Position
(vgl. 11 unten) in Kauf zu nehmen
ist.
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Die 13 bis 19 verdeutlichen
mögliche
Profilgestaltungen der Gebereinheit.
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So
ist es einerseits von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung
umfasst, die Gebereinheit gezielt stufen- bzw. ringabsatzförmig zu
profilieren (13 bis 16), wobei
dies kontinuierlich, abschnittsweise oder in Form getrennter Abschnitte
erfolgen kann. Auf diese Weise sind insbesondere vorbestimmte Schaltpunkte
sicher detektierbar.
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Auch
ist es möglich,
eine Profilierung kugel-, kugelabschnitts- oder kalottenförmig (16, 18)
auszubilden, genauso wie etwa, entsprechend dem Beispiel der 19,
eine gleichmäßige konusförmige Schräge vorzugeben,
welche zu einem linearen Signalverlauf (vgl. 11 oben)
führt.
Denkbar sind zudem Kombinationen verschiedener aufeinanderfolgender
Abschnitte, wie es etwa die 17 verdeutlicht.
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Eine
besonders bevorzugte und elegante Weiterbildung der Erfindung besteht
darin, dass das erfindungsgemäße Wegaufnehmer-
bzw. Wegmesssystem benutzt wird, um die Gebereinheit im Hinblick auf
eine Eichung bzw. einen Nullpunktabgleich einzustellen. Diese Situation
entsteht beispielsweise im Rahmen von automatisierten Fertigungsanordnungen,
wenn das (stationäre)
Wegmesssystem und der zugehörige
Aktor als Gebereinheit unabhängig
voneinander gefertigt und dann im Wege einer gemeinsamen (automatisierten)
Montage zusammengeführt werden.
Während
es im Stand der Technik hier üblich ist,
manuelle Justagemittel, etwa in Form von Drehwiderständen od.
dgl., vorzusehen, kann gemäß der Erfindung
und unter Nutzung der ohnehin zur Wegaufnahme vorgesehenen Einzelsensoren
eine automatische Nullpunkteinstellung bzw. -kompensation realisiert
werden.
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Dies
ist anhand der 20 und 21 gezeigt:
Mindestens zwei Sensoren, die axial vorn und hinten (bevorzugt im
symmetrischen) Magnet-Eisenkreis platziert sind, werden zum Zweck
des Nullpunktabgleichs wie folgt beschaltet und signalmäßig abgefragt:
Befindet sich die axial spiegelsymmetrische Gebereinheit 16 (in
den 20 im vorderen und hinteren Profilbereich 28, 28') aufgrund einer
angenommenen idealen Montage exakt in einer symmetrischen Position
zwischen den beiden Sensoranordnungen A/B bzw. C/D, messen alle
vier Sensoren identische Feldstärken,
ihre sämtlichen
Signaldifferenzen betragen damit Null. Tritt jedoch eine (axiale) Nullpunktabweichung
auf, weicht die Signaldifferenz von Null ab, und zwar positiv oder
negativ, je nach Richtung der Abweichung. Durch eine Abfrage dieses
Differenzsignals nach der Montage in einem definierten Zustand und
eines Ablegens dieses Messwertes (z. B. in einem Fests wertspeicher
einer integrierten Messelektronik) kann damit der Nullpunkt gesetzt
werden, ohne dass es einer gesonderten Justage bedarf, oder ohne
dass gesondert auf das Gerät
zugegriffen werden muss.
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In
der Weiterentwicklung dieser Idee ist es gar möglich, diese Nullpositionierung
nicht nur in axialer Richtung zu definieren, sondern auch zusätzlich in
Bezug auf ihre radiale Positionierung: Zu diesem Zweck werden die
vier in den 20 bzw. 21 gezeigten
Einzelsensoren in der Form (A + B) – (C + D) verknüpft, mit
dem Effekt, dass einerseits über
die Differenzbildung in der vorbeschriebenen Weise die axiale Fehlstellung
ermittelt werden kann, darüber
hinaus analog zu den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen eine jeweilige
Einzelverknüpfung
A + B bzw. C + D kompensatorisch im Hinblick auf die radiale Toleranz
wirkt.
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Im
Ergebnis ermöglicht
die vorliegende Erfindung in sehr einfacher und konstruktiv eleganter
Weise das Kompensieren verschiedenster, eine Messgenauigkeit nachteilig
beeinflussender Toleranzen, insbesondere ohne dass es aufwändiger mechanischer
Lagerungsvorkehrungen bedarf.