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Die Erfindung betrifft induktive
Positions- und/oder Bewegungsmagnetsensoren und insbesondere in
derartigen Sensoren den Teil, der Ziel genannt wird und welcher
Markierungen aufweist, die dafür
bestimmt sind, durch den zugeordneten Sensor detektiert zu werden,
wenn sich der Sensor und das Ziel in einer Relativbewegung zueinander
befinden.
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Im Fall eines optischen Positionssensors, der
einem kreisförmigen
durch einen Motor angetriebenen Ziel zugeordnet ist, ist die Peripherie
des letzteren mit einer Vielzahl von in regelmäßigen Abständen angeordneten durch den
Sensor detektierbaren optischen Markierungen versehen, beispielsweise mit
opaken Bändern,
Löchern,
Spalten, etc.. Um über eine
absolute Referenzposition zu verfügen, ist auf dem Ziel eine
Zusatzmarkierung hergestellt, die gegenüber den anderen Markierungen
identifizierbar ist. Diese Zusatzmarkierung, die Index genannt wird, kann
beispielsweise radial im Verhältnis
zu den anderen Markierungen versetzt sein und bei jeder Drehung
des Ziels mit Hilfe eines zweiten optischen Sensors detektiert werden.
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Ebenso kann bei induktiven Magnetsensoren,
die einem Ziel zugeordnet sind, das in regelmäßigen Abständen mit Markierungen versehen
ist, ein derartiger Index durch eine Zusatzmarkierung auf dem Ziel
realisiert sein, der, im Fall eines kreisförmigen Ziels, radial im Verhältnis zu
den anderen Markierungen versetzt ist und durch einen zweiten induktiven
Sensor detektiert werden kann, der diesem Index gegenüberliegend
angeordnet ist.
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Bei den zwei obengenannten Beispielen
von Sensoren führt
ein radial versetzter Index dazu, daß zwei Sensoren verwendet werden,
was den Raumbedarf, die Komplexität und die Kosten der Vorrichtungsanordnung
erhöht.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung
einen induktiven Magnetsensor herzustellen, der einem Ziel zugeordnet
ist, das es zuläßt, gleichzeitig
die regelmäßigen Markierungen
des Ziels und den Index zu detektieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem
die Position, die Maße
oder das Material einer der Markierungen im Vergleich zu den anderen
verändert
wird, um die Amplitude des elektrischen Signals, das sie in dem
Sensor hervorruft, so zu modifizieren, daß sie durch einen Amplitudenvergleich
mit den durch die anderen Markierungen gelieferten Signale detektiert werden
kann.
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Die Erfindung betrifft somit einen
induktiven Magnetsensor der Bauart mit einer Primärwicklung, die
von einem Wechselstrom von hoher Frequenz gespeist ist, welcher
von einer Erregervorrichtung geliefert wird, und mindestens zwei
Sekundärwicklungen,
die miteinander in Differenzialanordnung verbunden und einem Magnetfeld
ausgesetzt sind, welches durch die Primärwicklung erzeugt ist, und
elektrische Signale bereitstellt, die für Änderungen des Magnetfeldes
aufgrund des Vorhandenseins eines Ziels repräsentativ sind, welches sich
in Relativbewegung befindet und eine Vielzahl von in regelmäßigen Abständen angeordneten
Unterbrechungen aufweist, die Markierungen gleicher Anzahl wie diejenige
der Unterbrechungen bilden, wobei die genannten elektrischen Signale
an eine Verstärker/Demodulierungsschaltung
mit nachgeschaltetem Verarbeitungskreis für die demodulierten Signale
angelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß:
- – die Dimensions-
und/oder Magneteigenschaften mindestens einer der Markierungen so
modifiziert werden, daß die
Amplitude des elektrischen Signals modifiziert wird, welches von
dem Sekundärwicklungspaar
beim Passieren dieser modifizierten Markierung (bzw. dieses Index)
geliefert wird, und
- – der
Verarbeitungskreis der demodulierten Signale ein Mittel zum Detektieren
des korrespondierenden Signals beim Passieren des Index aufweist.
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Andere Eigenschaften und Vorteile
der vorliegenden Erfindung gehen aus der Lektüre der folgenden Beschreibung
spezieller Ausführungsformen hervor,
wobei die Beschreibung mit Bezugnahme auf die damit verbundenen
Zeichnungen erstellt wurde, in welchen:
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1 ein
Schema eines induktiven Magnetsensors ist, der einer Trägerscheibe
für die
Markierungen mit dem erfindungsgemäßen Index zugeordnet ist;
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2 eine
Schnittansicht des Ziels von 1 auf
Höhe des
Index ist;
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3 ein
Diagramm elektrischer Signale ist, die durch den Magnetsensor von 1 beim Passieren der Markierungen
geliefert werden;
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4 ein
funktionelles Schema der Verarbeitungseinrichtung der durch den
Sensor gelieferten Signale ist;
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5 eine
Abwandlung zeigt gemäß der das Ziel
durch eine Doppelscheibe gebildet ist.
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Das Schema von
1 zeigt einen induktiven Magnetsensor
einer bekannten Bauatr, der einem Ziel zugeordnet ist, das in regelmäßigen Abständen mit
Markierungen versehen ist. Ein derartiger induktiver Magnetsensor
wird beispielsweise in Einzelheiten in den europäischen Patentanmeldungen
EP 97 106 884 und
EP 98 400 835.9 mit Anmeldetag
25. April 1997 bzw. 7. April 1998 beschrieben.
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Induktiven Magnetsensoren können, wie
in den zuvor genannten Dokumenten beschrieben ist, verschiedene
Typen von Zielen zugeordnet sein. Es kann sich somit um ein Ziel
aus einem ersten dielektrischen Material, auf dem regelmäßig Markierungen aus
einem metallischen oder ferromagnetischen Material angeordnet sind,
um ein Ziel aus einem metallischen (oder ferromagnetischen) Material,
bei welchem Zähne
(oder Schlitze) hergestellt wurden, oder auch um ein Ziel handeln,
bei dem sich metallische Zonen mit ferromagnetischen Zonen abwechseln. Darüber hinaus
können
gemäß der in
Betracht gezogenen Anmeldung die Ziele kreisförmig oder linear sein. Man
beachte, daß die
wesentliche Eigenschaft eines Ziels, das einem induktiven Positions-
und/oder Bewegungsmagnetsensor zugeordnet ist, darin besteht, in
der Bewegungsrichtung Unterbrechungen aufzuweisen, die bei ihrem
Passieren vor dem Sensor das durch den Sensor wahrgenommene Feld
modifizieren. Im weiteren Verlauf der Beschreibung und ohne, daß dies eine
Beschränkung
darstellt, wird auf ein kreisförmiges
Ziel Bezug genommen, das aus einem dielektrischen Material hergestellt
ist und auf dem Markierungen (oder Unterbrechungen) angeordnet sind,
die mit Hilfe eines ferromagnetischen Materials hergestellt sind.
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In 1 ist
der induktive Magnetsensor 10 einem Ziel 12 zugeordnet.
Der miniaturisierte induktive Magnetsensor weist zumindest eine
Primärwicklung 14,
die durch einen Wechselstrom mit hoher Frequenz der Größenordnung
von beispielsweise mehreren 100 KHz durchflossen wird, die ein magnetisches
Wechselfeld erzeugt, und zumindest zwei Sekundärwicklungen 16 und 18 auf,
die diesem Wechselfeld unterliegen, wobei die Primär- und Sekundärwicklungen
planar sein können.
Die Amplitude des jeweils durch die Sekundärwicklungen empfangenen Magnetfelds
wird durch das Passieren einer Unterbrechung auf dem Ziel in der
Weise modifiziert, daß beim
Messen der Amplituden- oder Phasenmodulation der in den Sekundärwicklungen induzierten
elektrischen Signale das Passieren dieser Unterbrechung detektiert
wird. Dies ermöglicht
es, durch eine geeignete Bearbeitung der elektrischen Signale die Position
der Unterbrechung sowie die Richtung und die Geschwindigkeit der
Bewegung des Ziels zu bestimmen.
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Die Ausgangsanschlüsse der
Primärwicklung 14 und
der zwei Sekundärwicklungen 16 und 18 sind
mit einem elektronischen System 20 verbunden, das eine
elektronische Erregervorrichtung 22, die den Wechselstrom
hoher Frequenz zur ersten Erregerspule liefert, und eine elektronische
Verarbeitungsvorrichtung 24 für die elektrischen Signale
aufweist, die an den Ausgangsanschlüssen der Empfangssekundärwicklungen 16 und 18 auftreten.
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Die elektronische Erregervorrichtung 22 weist
im wesentlichen einen Oszillator 26 auf, dessen Wechselstromsignal
hoher Frequenz in einem Verstärker 28 verstärkt wird,
bevor es an die Ausgangsanschlüsse
der Primärwicklung 14 angelegt
wird.
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Die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 24 weist
im wesentlichen auf:
- – eine Verstärkungs-/Demodulationsschaltung 30 für das Sekundärspulenpaar 16, 18,
die in differenzieller Anordnung verbunden sind und
- – eine
Schaltung 32 zur Bearbeitung der demodulierten Signale.
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Das Ziel 12 ist beispielsweise
aus einer Scheibe 40 und einem dielektrischen Material,
beispielsweise aus einem Kunststoff, gebildet, an dessen kreisförmiger Peripherie
regelmäßig Markierungen 42 aus
einem ferromagnetischen Material angeordnet sind. Diese Markierungen 42,
deren Anzahl zwölf
beträgt,
können
beispielsweise durch eine Elektroabscheidung einer Eisen-Nickelverbindung mit
einer Dicke von 0,02 mm hergestellt werden. Wie zuvor erwähnt, ist
verständlich,
daß ebenso
andere Materialien und unterschiedliche Realisierungsformen für das Ziel 12 verwendet
werden können.
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Um einen Index zu realisieren, weist
erfindungsgemäß eine der
Markierungen, nämlich
jene mit dem Bezugszeichen 44, Eigenschaften auf, die im
Verhältnis
zu den anderen Markierungen in der Weise modifiziert sind, daß die Magnetfeldlinien,
die durch die Erregerprimärwicklung
induziert werden, anders beeinflußt werden und somit das durch
die Empfängersekundärwicklungen
gelieferte elektrische Signal in der Amplitude modifiziert wird.
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Wie in 2 dargestellt
ist, ist die Markierung 44, welche den Index bildet, dicker
(beispielsweise 0.05 mm) als die anderen Markierungen, was dazu
führt,
daß sie
näher an
den Windungen des Sensors liegt und somit das durch die Sekundärwicklungen
gelieferte Signal beim Passieren dieses Indexes 44 verstärkt wird.
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Das Diagramm von 3 zeigt den Verlauf der durch die Sekundärwicklungen
beim Passieren der Markierungen (Signale 46) und des Indexes
(Signal 48) gelieferten Signale. Das Signal 48 weist
eine größere Amplitude
als die anderen auf und es kann durch einen Vergleich mit einem
Schwellwert S in einer Vergleichsschaltung 50 oder durch
einen Vergleich des beim Passieren des Indexes gelieferten Signals
mit dem Mittelwert der beim Passieren der anderen Markierungen gelieferten
Signale erfaßt werden.
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Der Schwellwert S kann einen festen
Wert aufweisen, der in Abhängigkeit
von dem größten durch
die Signale 46 erreichten Wert bestimmt ist, jedoch setzt
dies voraus, daß die
Amplitudendifferenz zwischen den Signalen 46 und 48 ausreichend
groß ist,
um eine sichere Detektion zuzulassen und auch, daß ihre Amplituden
nicht im Laufe der Zeit variieren, insbesondere nicht in Folge der
Variation der Entfernung zwischen dem Sensor und dem Ziel.
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Die Erfindung schlägt vorzugsweise
ebenfalls vor, eine Bearbeitung der Signale 46 und 48 auszuführen, um
daraus den zeitlichen Mittelwert zu bestimmen, wobei dieser Mittelwert
dazu dient, beispielsweise durch einen Multiplikationskoeffizienten, der
größer ist
als der Einheitswert, den Schwellwert S zu bestimmten.
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Die Anpassung des Schwellwerts S
an den Mittelwert der Signale 46 und 48 läßt es zu,
sich der Änderungen
der Amplitude der Signale aufgrund verschiedener Ursachen, insbesondere
aufgrund der Alterung des Sensors und der Änderung des Abstandes zu entledigen.
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Die Bearbeitung der Signale 46 und 48 besteht
beispielsweise darin, den Wert des Maximums mit einer Periode abzutasten,
die durch den Kehrwert der Frequenz des Passierens der Markierungen
in einer Abtastschaltung 50 gegeben ist, die Amplitude der
Abtastwerte in einer Kodierschaltung 52 digital zu kodieren
und den Mittelwert der Abtastwerte mit Hilfe einer geeigneten Schaltung,
wie beispielsweise einem Mikroprozessor 54 zu berechnen,
der ein bestimmtes Programm ausführt
(siehe 4).
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Der Index von 2 weist die Besonderheit auf, daß er in
der Form einer ferromagnetischen Markierung 44 mit größerer Dicke
als die anderen Markierungen 42 vorliegt.
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Als Abwandlung könnte der Index 44 dieselbe
Dicke aufweisen, wie die Markierungen 42, jedoch auf einer
Erhöhung
angeordnet sein, um das ferromagnetische Material an die Windungen
des Sensors anzunähern.
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Das Schema in 5 ist eine Abwandlung gemäß der die Überdicke
des Indexes nicht auf der Scheibe des Ziels selbst hergestellt ist,
welches die regelmäßigen Markierungen
trägt,
sondern auf einer zweiten Scheibe, die mit der ersten derart gekoppelt ist,
daß sie
durch diese mitgenommen wird. Somit ist der Sensor 10 zwischen
einer ersten Scheibe 12, die regelmäßige Markierungen 42 trägt, und
einer zweiten Scheibe 12a angeordnet, die mit der ersten
durch eine feste und steife Verbindung 12b verbunden ist und
welche die Verdickung 44 trägt, die mit der entsprechenden
Markierung 42 den Index bildet. Diese Anordnung profitiert
davon, daß der
Sensor 10 ebenfalls durch das Passieren einer Unterbrechung
beeinflußt
wird, daß diese
sich entweder sich in einer Ebene über oder in einer Ebene unter
jener der Sekundärempfangsspulen
befindet.
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In der vorhergehenden Beschreibung
unterscheidet sich der Index von den anderen Markierungen, die aus
einem ferromagnetischen Material hergestellt sind, durch eine größere Höhe. Es ist
jedoch klar, daß der
Unterschied zwischen dem Index und den regelmäßigen Markierungen durch andere
Variationen dimensioneller Art erzeugt werden kann, wie beispielsweise
eine geringere Höhe
oder auch eine kleinere oder größere Breite
des Index. In den letzteren Fällen
muß, wenn
die Reaktion des Sensors beim Durchgang des Indexes schwächer ist
als beim Passieren der regelmäßigen Markierungen,
die Bearbeitungsschaltung folglich modifiziert sein (ein variabler oder
fester Detektionsschwellwert des Indexes der niedriger ist als das
durch die regelmäßigen Markierungen
hervorgerufene Signal). Diese Variationen dimensioneller An können bei.
Zielen jeder Bauart, unabhängig
davon, ob sie metallisch, ferromagnetisch oder andersartig sind,
ausgeführt
werden.
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Gemäß noch weiter Abwandlungen
der Erfindung werden keine Veränderungen
dimensioneller Art auf den Index ausgeführt, sondern Veränderungen
der magnetischen Eigenschaften zwischen dem Material des Indexes
und jenem der regelmäßigen Markierungen.
Bei Verwendung von Materialien mit unterschiedlicher Permeabilität für den Index
und für die
regelmäßigen Markierungen
ist die Reaktion des Sensors somit verschieden und ermöglicht die
differenzierte Detektion des Indexes und der regelmäßigen Markierungen.
Selbstverständlich
können
Abwandlungen dimensioneller An und Änderungen des Material des
Indexes und der regelmäßigen Markierungen
auf ein und demselben Ziel kombiniert sein.