DE10044839B4

DE10044839B4 - Induktiver Positionssensor

Info

Publication number: DE10044839B4
Application number: DE10044839A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Clemens; Klaus Ludwig; Ludwig Dr. Bär; Luc Jansseune
Original assignee: Siemens AG; Siemens Automotive SA
Current assignee: Continental Automotive GmbH; Continental Automotive France SAS
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 2000-09-11
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2020-09-12
Also published as: DE10044839A1

Abstract

Positionssensor (2, 10) zur berührungslosen Erfassung der Position eines ortsveränderlichen Objektes mit
a) einer mit dem Objekt starr verbundenen, ein Magnetfeld erzeugenden Feldeinrichtung (7, 12), die eine der Ortsveränderung des Objektes entsprechende Auslenkung (x) aus einer Bezugsposition erfährt,
b) einer Schleifeneinrichtung (4, 11), die
– zwei Einzelspulen (4a, 4b; 11a, 11b) aufweist, welche jeweils aus wenigstens einem Leiter (L) mit an die Auslenkung (x) der Feldeinrichtung (7, 12) angepasster Ausdehnung (1) und mit sich gegenseitig umschließenden Windungen (w) mit sich von einer Breitseite (b) zu einer Schmalseite (s) verjüngender Außenkontur (a) gebildet sind und welche mit entgegengesetzter Verjüngungsrichtung nebeneinander angeordnet sind, und
– auf wenigstens einer Flachseite mit einer weichmagnetischen Schicht (5) versehen ist,
sowie
c) zugeordneten Mitteln zur Messung der magnetischen Induktion der Einzelspulen(4a, 4b; 11a, 11b), welche von der magnetischen Sättigung der weichmagnetischen Schicht (5) an der Position (x_m) der berührungslos...

Description

Die Erfindung betrifft einen Positionssensor zur berührungslosen Erfassung der Position eines ortsveränderlichen Objektes mit

a) einer mit dem Objekt starr verbundenen, ein Magnetfeld erzeugenden Feldeinrichtung, die eine der Ortsveränderung des Objektes entsprechende Auslenkung x aus einer Bezugsposition erfährt,
b) einer Schleifeneinrichtung, die – mehrere hintereinander angeordnete Einzelspulen aufweist, welche jeweils aus wenigstens einem Leiter und mit sich gegenseitig umschließenden Windungen (a) gebildet sind und – auf wenigstens einer Flachseite mit einer weichmagnetischen Schicht versehen ist, sowie
c) zugeordneten Mitteln zur Messung der magnetischen Induktion der Schleifeneinrichtung, welche von der magnetischen Sättigung der weichmagnetischen Schicht an der Position der berührungslos über dem Aufbau aus der Schicht und der Schleifeneinrichtung zu führenden Feldeinrichtung abhängig ist.

Ein entsprechender Positionssensor ist aus der DE 41 03 603 A1 bekannt.

Zur Erfassung einer Drehposition oder einer Linearposition eines ortsveränderlichen Objektes sind seit langem Schleifpotentiometer Stand der Technik. Sie sind kostengünstig und die diesbezügliche Technologie ist etabliert. Entsprechende Potentiometer werden z.B. auf dem Gebiet der Unterhaltungselektronik oder dem der Automobiltechnik eingesetzt. Auf letztgenanntem Gebiet sind Anwendungsbeispiele Drosselklappensensoren, Gaspedalsensoren, Bremspedalsensoren oder Posi tionssensoren für automatische Getriebe. Für diese Anwendungsbeispiele sind kaum kontaktlose Lösungen für absolute Positions- oder Winkelmessungen aufgrund der hohen Anforderungen wie z.B. bezüglich der Temperatur, Öl, Vibrationen oder niedriger Kosten bekannt.

Aus der DE 197 12 833 A1 ist ein Sensor zur berührungslosen Positionsverfassung eines ortsveränderlichen Objektes zu entnehmen, der eine mit dem Objekt starr verbundene, ein Magnetfeld erzeugende Feldeinrichtung enthält, die eine der Ortsveränderung des Objektes entsprechende lineare oder gedrehte Auslenkung aus einer Ausgangslage erfährt. Das von dieser Feldeinrichtung erzeugte Magnetfeld wird von einer magnetoresistiven Sensoreinrichtung erfasst, die ein der Auslenkung entsprechendes Spannungssignal verursacht.

Aus der Veröffentlichung „Siemens Components", Heft 4, 1998, Seiten 18 und 19 geht ein sogenannter PLCD(=Permanentmagnetic Linear Contactless Displacement)-Wegsensor hervor, der im wesentlichen aus einem speziellen weichmagnetischen Kern (bzw. Körper) besteht, welcher als eine Leiterschleifeneinrichtung eine Bewicklung nach dem Prinzip eines Differentialtransformators aufweist. Ein an diesen Aufbau angenäherter Dauermagnet führt zu einer partiellen Sättigung des Kerns. Je nach Position der Sättigungszone werden in den beiden Sekundärspulen der Leiterschleifeneinrichtung unterschiedliche Spannungen induziert. Die Spannungsdifferenz ist dann ein Maß für den mechanisch zurückgelegten Weg des Magneten. Die Leiterschleifeneinrichtung dieses linearen Positionssensors ist dabei verhältnismäßig voluminös, da ihre Sekundärspulen den weichmagnetischen Kern an dessen Endseiten umschließen. Außerdem ist ein entsprechender Aufbau zur Erfassung von Dreh- oder Winkelpositionen nur mit hohem Aufwand zu realisieren.

Ein Positionssensor zur berührungslosen Erfassung linearer oder rotatorischer Bewegungen mit einem Differentialtransformator ist der eingangs genannten DE 41 03 603 A1 zu entneh men. Der Transformator des bekannten Sensors weist mehrere, eine Primär- und eine Sekundärspule bildende Leiterschleifen auf, die beispielsweise spiral- oder mäanderförmig gestaltet sind. Für eine Erfassung einer rotatorischen Bewegung können die Spulen auch jeweils einen Sektor einer Kreisfläche einnehmen. Die Spulen sind gemäß einer speziellen Ausführungsform als Flachspulen einer Messspulenanordnung ausgeführt, zu der sich parallel eine weichmagnetische Folie befindet. Ein über dieser Magnetspulenanordnung und der Folie zu führender Steuermagnet, beispielsweise in Form eines Permanentmagneten, bewirkt eine positionsabhängige, partielle Sättigung der Folie. Diese Sättigung führt zu einer entsprechenden Änderung der Koppelverhältnisse zwischen den Transformatorspulen der Messspulenanordnung. Diese Änderung der Koppelverhältnisse wird zur Positionsbestimmung des Magneten elektronisch ausgewertet.

Aus der DE 25 11 683 A1 ist ein induktiver Stellungsgeber zu entnehmen, bei dem ein ferromagnetischer Kern mit einer wechselstromgespeisten Primärwicklung bezüglich zwei Sekundärwicklungen beweglich angeordnet ist. Die Sekundärwicklungen sind keilförmig gestaltet und so nebeneinander angeordnet, dass ihre Keilspitzen in entgegengesetzte Richtungen weisen. Abhängig von der Stellung des Kerns werden in ihnen Sekundärspannungen induziert, die zur Bestimmung der jeweiligen Stellung des beweglichen Kerns verarbeitet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Positionssensor mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass dessen Aufbau verhältnismäßig einfach ist und er für kleine und große Auslenkungen sowie zur Erfassung von linearen Positionen und Drehpositionen ausgebildet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Hierzu weist der Positionssensor zur Erfassung der Position eines ortsveränderlichen Objektes folgende Merkmale auf, nämlich

a) eine mit dem Objekt starr verbundene, ein Magnetfeld erzeugende Feldeinrichtung, die eine der Ortsveränderung des Objektes entsprechende Auslenkung x aus einer Bezugsposition erfährt,
b) eine Schleifeneinrichtung, die – zwei Einzelspulen aufweist, welche jeweils aus wenigstens einem Leiter mit an die Auslenkung der Feldeinrichtung angepasster Ausdehnung und mit sich gegenseitig umschließenden Windungen mit sich von einer Breitseite zu einer Schmalseite verjüngender Außenkontur gebildet sind und welche mit entgegengesetzter Verjüngungsrichtung nebeneinander angeordnet sind, und – auf wenigstens einer Flachseite mit einer weichmagnetischen Schicht versehen ist, sowie
c) zugeordnete Mittel zur Messung der magnetischen Induktion der Einzelspulen, welche von der magnetischen Sättigung der weichmagnetischen Schicht an der Position x_m der berührungslos über dem Aufbau aus der Schicht und der Schleifeneinrichtung zu führenden Feldeinrichtung abhängig ist, und zu einer Differenzbildung der Induktionssignale bezüglich der Einzelspulen.

Die mit dieser Ausgestaltung des induktiven Positionssensors verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass wegen einer möglichen Flachbauweise der gegenüber der weichmagnetischen Schicht isolierten Leiterschleifeneinrichtung ein verhältnismäßig platzsparender Aufbau vorgesehen werden kann. Die magnetfelderzeugende Feldeinrichtung, beispielsweise in Form eines Dauermagneten, kann dementsprechend klein ausgeführt werden. Der Aufbau des Positionssensors ist an viele verschiedene Anwendungen sowohl zu einer linearen Positionserfassung als auch zu einer Drehpositionserfassung platzsparend und dementsprechend kostengünstig anzupassen.

Durch die Feldeinrichtung des erfindungsgemäßen Positionssensors kann auf einfache Weise ein Magnetfeld solcher Stärke erzeugt werden, dass ein zugeordneter Bereich der weichmagnetischen Schicht (mit einer Koerzitivfeldstärke von unter 0,1 A/cm) zumindest annähernd in die magnetische Sättigung getrieben wird. Damit ist in Abhängigkeit von der Verjüngung der mindestens einen Spule der Schleifeneinrichtung und somit in Abhängigkeit von der Position der Feldeinrichtung eine eindeutige Änderung der messbaren Induktion der Schleifeneinrichtung auf einfache Weise zu erreichen. Die Verjüngung ist deshalb vorzugsweise kontinuierlich. Die Messung der Induktion erfolgt dabei auf an sich bekanntem Wege mit dementsprechenden Messmitteln.

Besonders vorteilhaft ist es, dass eine Schleifeneinrichtung mit zwei einzelnen Spulen vorgesehen wird, deren Verjüngungsrichtungen entgegengesetzt gerichtet sind. Auf diese Weise ist eine Differenzbildung des Signals möglich, die zu einer Verringerung von Offsetproblemen und Temperaturdriften genutzt werden kann. Die Auswertung der relativen Induktion der beiden Spulen führt dann vorteilhaft zu einem weitgehend linearen Signal über die Auslenkung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Positionssensors gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Ruf einige dieser Ausgestaltungen wird nachfolgend eingegangen:
So kann vorteilhaft die wenigstens eine Schleifeneinrichtung zumindest auf ihrer der Feldeinrichtung zugewandten Flachseite eine weichmagnetische Schicht aufweisen. Aufgrund des dann möglichen geringen Abstandes zwischen der weichmagnetischen Schicht und der Feldeinrichtung ist die magnetische Sättigung der weichmagnetischen Schicht entsprechend erleichtert. Es ist jedoch auch möglich, bei Feldeinrichtungen mit hinreichender Feldstärke die weichmagnetische Schicht auf der be züglich der Feldeinrichtung abgewandten Seite der Schleifeneinrichtung anzuordnen.

Ferner lässt sich für die Feldeinrichtung vorteilhaft mindestens ein rein metallischer oder kunststoffgebundener Permanentmagnet oder auch ein entsprechender Elektromagnet vorsehen. Die Größe dieser Feldeinrichtungen ist in Abhängigkeit von dem jeweiligen Anwendungsfall in weiten Grenzen wählbar.

Im Hinblick auf eine eindeutige Abhängigkeit des an der Schleifeneinrichtung abzunehmenden Signals von der Position der Feldeinrichtung wird vorteilhaft deren Breite so gewählt, dass sie wenigstens gleich der Ausdehnung der Breitseite der mindestens einen Spule der Schleifeneinrichtung ist. Außerdem wird deshalb vorzugsweise eine sich von der Breitseite zu der Schmalseite kontinuierlich über die Wegstrecke der Feldeinrichtung ändernde Verjüngung vorgesehen.

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Schleifeneinrichtung mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz vorzugsweise zwischen 100 Hz und 10 MHz beaufschlagt wird. Auf diese Weise ist unter Berücksichtigung der Verjüngung der mindestens einen Spule der Schleifeneinrichtung eine eindeutige Änderung der magnetischen Induktion der Schleifeneinrichtung in Abhängigkeit von der Position der Feldeinrichtung detektierbar.

Im Hinblick auf eine höhere Windungszahl der Schleifeneinrichtung kann diese vorteilhaft in mehreren parallelen Ebenen angeordnete Spulen aufweisen. Diese Spulen werden dann zu einem Spulensystem mit entsprechender Windungszahl verschaltet.

Dabei können zumindest einige der Spulen auf einer Flachseite eine weichmagnetische Schicht aufweisen. Es entsteht so ein Multilagensystem, das bezüglich der Detektion seiner magnetischen Induktion besonders empfindlich ist. Ein solches Multilagensystem ist vorteilhaft auch so aufzubauen, dass jede der Spulen auf einer Flachseite eine weichmagnetische Schicht aufweist und damit eine Grundeinheit gebildet wird. Aus mehreren solcher Grundeinheiten kann dann auf einfache Weise ein stapelförmiger Aufbau zu dem Multilagensystem realisiert werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen induktiven Positionssensors gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele von solchen Positionssensoren sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch näher erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch deren
1 und 2 den prinzipiellen Aufbau eines Positionssensors zu einer linearen Positionserfassung in Aufsicht bzw. Seitenansicht,
3 den Positionssensor nach 1 mit einem Magneten in Anfangs- bzw. Endposition,
4 einen weiteren Positionssensor zu Vergleichszwecken gegenüber der Ausführungsform nach 3,
5 eine Brückenschaltung mit einem Positionssensor nach 1 oder 3,
6 den Signalverlauf des Positionssensors nach den 1 bis 3 sowie 7 den prinzipiellen Aufbau eines Positionssensors zur Erfassung einer Drehposition.
In den Figuren sind sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Aus den 1 und 2 sind die wesentlichen Teile eines Aufbaus ersichtlich, wie er für einen induktiven Positionssensor nach der Erfindung zu einer linearen Positionserfassung vorgesehen werden kann. Der allgemein mit 2 bezeichnete Sensor umfasst ein Substrat 3, z.B. in Form einer Leiterplatte oder einer Folie. Auf dieses Substrat ist wenigstens eine besondere Leiterschleifeneinrichtung 4 aufgebracht. Diese Schleifeneinrichtung ist vorzugsweise auf ihrer oberen Flachseite mit einer Schicht 5 aus einem weichmagnetischen Material mit einer Koerzitivfeldstärke von im allgemeinen unter 0,1 A/cm und einer vorgegebenen magnetischen Sättigung (bzw. Sättigungsinduktion) abgedeckt. Diese nur aus 2 ersichtliche Schicht , deren Dicke d im allgemeinen zwischen 10 nm und 1mm liegt, dient generell zur Erhöhung der Induktion der Schleifeneinrichtung. Sie muss aus Gründen einer Vermeidung von Kurzschlüssen in der Schleifeneinrichtung selbstverständlich gegenüber dieser elektrisch isoliert sein. In 2 ist deshalb durch eine verstärkte Linie eine entsprechende dünne Isolationsschicht 6 z.B. in Form einer Kleberfolie oder -schicht angedeutet.
Der Aufbau aus der Schleifeneinrichtung 4 und der ihr gegenüber isolierten weichmagnetischen Schicht 5 stellt eine Grundeinheit dar, die gegebenenfalls zu einem Multilagensystem z.B. durch Übereinanderlegen oder durch Stapeln mehrerer solcher Grundeinheiten erweitert werden kann. Dieses Multilagensystem weist dann in mehreren parallelen Ebenen liegende Leiterschleifeneinrichtungen und weichmagnetische Schichten auf. Auf diese Weise lässt sich die Induktion des gesamten Schleifeneinrichtungssystems erhöhen. Daneben kann beispielsweise auf der Unterseite des Substrates 3 noch mindestens ei ne weitere Leiterschleifeneinrichtung angebracht sein, die vorzugsweise ebenfalls mit einer weichmagnetischen Schicht auf ihrer freien Flachseite abgedeckt ist. Es ergibt sich so ein zum Substrat 3 symmetrischer Aufbau. Gegebenenfalls kann aber auch auf die Unterseite nur eine Leiterschleifeneinrichtung oder nur eine weichmagnetische Schicht aufgebracht sein.
Die Schleifeneinrichtung 4 weist mindestens eine Spule aus wenigstens einem Schleifenleiter L auf. Sie hat sich gegenseitig umschließende, nach Art einer Archimedischen Spirale etwa schneckenhausförmig verlaufende Leiterwindungen w und eine sich von. einer Breitseite zu einer Schmalseite verjüngenden Außenkontur. Ihre äußere Form ist somit etwa keilförmig über einen zu messenden Weg x. Durch Verändern oder Anpassen der keilförmigen Spulengeometrie kann vorteilhaft auf die Form bzw. Linearität des Ausgangssignals Einfluss genommen werden. Vorteilhaft ändert sich die Außenkontur kontinuierlich zwischen einer Breitseite und einer Schmalseite, um so eine eindeutige Bestimmung der Position x zu erleichtern.
Für einen Brückenaufbau bzw. eine Differenzmessung ist es vorteilhaft, mindestens zwei solcher Spulen vorzusehen, deren Keilform entgegengesetzt ist. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Schleifeneinrichtung 4 zwei entsprechende keilförmige Spulen 4a und 4b auf, deren jeweilige Breitseite mit b, Schmalseite mit s und Außenkontur mit a bezeichnet sind. Die beiden Spulen sind somit auf dem Substrat 3 derart angeordnet, dass ihre keilförmigen Außenkonturen a bezüglich ihrer Schmalseiten s entgegengerichtet sind und sie gemeinsam eine etwa rechteckige Fläche der Schleifeneinrichtung 4 mit einer gemeinsamen Diagonalen belegen. An diese Diagonale grenzen die entsprechenden Seitenteile der beiden Spulen unter Einhaltung eines geringen Abstandes an (vgl. 1). Die lineare , maximale Ausdehnung der Schleifeneinrichtung 4 ist mit 1 bezeichnet; sie entspricht in etwa der entsprechender Ausdehnung jeder Spule und legt den für eine Positionsbestimmung maximal möglichen Weg x fest. Gegebenen falls können aus Auflösungsgründen die äußeren Endbereiche für die Positionsbestimmung ausgespart bleiben.
Oberhalb der weichmagnetischen Schicht 5 befindet sich eine magnetfelderzeugende Feldeinrichtung 7, die mit einem in der Figur nicht dargestellten Objekt starr verbunden ist, dessen lineare Position erfasst werden soll. Die Ortsveränderung dieses Objektes entspricht dann einer Auslenkung der Feldeinrichtung 7 aus einer Bezugsposition oder Ausgangslage. Als magnetfelderzeugende Feldeinrichtung kann insbesondere ein vorzugsweise permanent erregter Magnet beispielsweise in Form eines Dauermagneten vorgesehen sein, dessen Bewegung in der Auslenkungsrichtung x in 1 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Für diesen Magneten wird vorteilhaft eine solche Breite B gewählt, dass er über die gesamte Breite der Schleifeneinrichtung 4, die im wesentlichen durch die Breitseiten b ihrer Spulen 4a bzw. 4b festgelegt ist, ragt oder zumindest diese Breite hat. Selbstverständlich kann stattdessen auch ein entsprechender Elektromagnet vorgesehen werden. Das Magnetfeld dieses Magneten sollte so groß sein, dass die weichmagnetische Schicht 5 in einem Bereich 5a, der sich unmittelbar unterhalb des Magneten befindet (vgl. 2), magnetisch zumindest annähernd gesättigt wird. Es kommt dabei nicht auf die absolute Größe der Feldstärke an, sondern nur darauf, dass in diesem Bereich die magnetische Sättigung zumindest weitgehend erreicht wird. Somit sind folglich bei dem Aufbau des erfindungsgemäßen Positionssensors vorteilhaft verhältnismäßig große Abstandstoleranzen des Magneten bezüglich der Schleifeneinrichtung möglich.
In dem durch den Magneten 7 gesättigten Bereich 5a der weichmagnetischen Schicht 5 ist deren Permeabilität deutlich geringer, beispielsweise etwa 1, als in den danebenliegenden, nicht-gesättigten Bereichen dieser Schicht. Auf diese Weise ändert sich die Induktion der darunterliegenden mindestens einen Spule 4a bzw. 4b. Durch die gewählte Keilform hängt die Änderung der Induktion von der konkreten linearen Position x_m des Magneten ab, der gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel oberhalb der mit der weichmagnetischen Schicht 5 abgedeckten Schleifeneinrichtung berührungslos unter Einhaltung eines Abstandes bewegt wird.
3 zeigt den Positionssensor 2 gemäß 1 mit dem Magneten 7 als der magnetfelderzeugenden Feldeinrichtung in dessen Anfangsposition a) und dessen Endposition b) oberhalb der Schleifeneinrichtung 4 mit den beiden Spulen 4a und 4b. Wie aus der Figuren deutlich hervorgeht, ist bei der sich verjüngenden Form der beiden Spulen nur ein relativ kleiner Magnet 7 zur Positionserfassung erforderlich, da bei einem Verschieben je nach Position x unterschiedlich große Flächen der jeweiligen Spule 4a bzw. 4b überdeckt werden. Würde man gemäß 4, für die eine 3 entsprechende Darstellung gewählt ist, eine Schleifeneinrichtung 14 mit einer Spule 14a vorsehen, deren Außenkontur über die Wegstrecke x gesehen in etwa unverändert bleibt, so müsste ein Magnet 17 gewählt werden, der in etwa so lang ist wie der Weg x, der zwischen einer Anfangsposition a) und einer Endposition b) zu erfassen ist. Bei Vergleich der Ausführungsformen nach den 3 und 4 ist der sich mit der verjüngenden Form der Spule(n) verbundene Vorteil ersichtlich, dass bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform einerseits die Magnetkosten deutlich reduziert werden können, andererseits es oft gar nicht möglich ist, einen so großen Magneten wie nach 4 zu befestigen, beispielsweise bei einem Einbau in ein Auto-Getriebe. In 3 ist zwar bei der sich verjüngenden Form stets eine Spuleneinrichtung 4 mit einem System aus zwei Spulen 4a und 4b dargestellt; prinzipiell kann aber auch ein System mit nur einer einzigen. sich verjüngenden Spule vorgesehen werden. Auch im letzteren Fall wird nur ein verhältnismäßig kleiner Magnet 7 erforderlich.
Mit sich verjüngenden Spulen 4a und 4b einer Spuleneinrichtung 4 lassen sich auf sehr einfache Weise platz- und damit kostensparende Brückenschaltungen realisieren.
5 zeigt eine Ausführungsform einer solchen Schaltung 20 mit einer nicht näher ausgeführten Ansteuerungselektronik 21 und einer nicht näher ausgeführten Auswertungselektronik 22. Die Brückenschaltung weist eine Wheatstone-Brücke WB auf, die beispielsweise als eine Halbbrücke ausgeführt ist und somit in einem ihrer Brückenzweige zwei Widerstände 23a und 23b besitzt. Der andere Brückenzweig umfasst einen Positionssensor 2 gemäß den 1 und 3 mit zwei keilförmigen Spulen 4a und 4b. Die Spannungspotentiale an den Abgriffspunkten der Brücke sind mit U1 und U2 bezeichnet.
Selbstverständlich ist auch eine Vollbrücke mit nur sich verjüngenden Sensorspulen als den Brückenelementen möglich. Vorteil jeder dieser Brückenschaltungen ist, dass – wie nachfolgend noch erläutert wird – ein Ausgangssignal als ein relatives Signal ausgewertet wird, das somit verhältnismäßig unempfindlich z.B. gegen Temperaturänderungen oder Änderungen des Abstandes des Magneten gegenüber der Schleifeneinrichtung ist.
Der mit einer Schleifeneinrichtung 4 gemäß den 1 bis 3 zu gewinnende Signalverlauf in Abhängigkeit von einer Verschiebung bzw. Auslenkung x des Magneten 7 ist in 3 dargestellt. Als Signal U (in willkürlichen Einheiten) ist hier eine mit der magnetischen Induktion der einzelnen Spulen 4a und 4b korrelierte Messgröße gezeigt, die mit entsprechenden signalverarbeitenden Mitteln wie insbesondere einer hierfür an sich bekannten Elektronik ausgewertet werden kann. Durch die Keilform der einzelnen Spulen 4a und 4b ändert sich deren Induktion (bzw. Induktivität) weitgehend linear über den Verschiebe- oder Auslenkungsweg x des Magneten 7, wobei die Signale U1 bzw. U2 der beiden Spulen 4a und 4b gegenläufig sind. Vorteilhaft wird ein Differenzsignal U2-U1 der beiden Spulen ausgewertet. Man erhält so einerseits ein Signal mit doppeltem Hub verglichen zu einer Einzelspule; zusätzlich minimiert man Einflüsse wie Offsetschwankungen und gegebenen falls auch Temperatureinflüsse. Ein eventuell verbleibender Resteinfluss der Temperatur kann auf andere Weise, insbesondere elektronisch kompensiert werden.
7 zeigt in 1 oder 3 entsprechender Darstellung einen erfindungsgemäßen induktiven Positionssensor 10, mit dem eine Drehposition zu erfassen ist. Gegenüber der in 1 dargestellten Ausführungsform sind hier zwei nur durch ihre jeweilige Außenkontur a veranschaulichte Spulen 11a und 11b einer Schleifeneinrichtung 11 kreisbogenförmig gekrümmt. Diese wiederum keilförmigen, gegeneinander gerichteten Spulen decken mindestens einen bogenförmigen Teil eines Kreisringbogens ab. Ober- oder unterhalb der Schleifeneinrichtung 11 befindet sich eine in der Figur nicht dargestellte weichmagnetische Schicht. Bei dem Positionssensor 10 ist dessen als magnetfelderzeugende Feldeinrichtung verwendeter Magnet 12 kreisbogenförmig bezüglich einer Achse 13 auf einem dazu konzentrischen Kreis zu bewegen. Die entsprechende Auslenkung bezüglich einer Ausgangslage ist wiederum mit x bezeichnet. Die Signalauswertung erfolgt wie bei dem linearen Positionssensor 2 nach den 1 und 2.
Abweichend von der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform eines Positionssensors 2 nach der Erfindung kann ein solcher auch mehrere miteinander verbundene Feldeinrichtungen wie z.B. Permanentmagnete aufweisen, denen jeweils eine Schleifeneinrichtung mit mindestens einer Spule und mindestens eine weichmagnetische Schicht zugeordnet sind.
Außerdem ist es gegebenenfalls auch möglich, dass die weichmagnetische Schicht z.B. in Form einer Folie oder Platte oder eines Blechess selbst als Substrat bzw. Träger für die mindestens eine Schleifeneinrichtung dient.
Nachfolgend sind Einzelheiten von konkreten Ausführungsformen eines Positionssensors 2 aufgelistet:
Substrat 3: Z.B. Platine, Platte oder Folie aus einem nicht-magnetischen Material wie z.B. aus einem Kunststoff, einer Keramik oder aus Silizium.
Spule 4a und/oder 4b der Schleifeneinrichtung 4:
Flache Spule, z.B. durch Strukturierung auf Substrat erzeugt wie bei Leiterplatten, z.B. durch Lithographieprozess, Ätzprozess oder durch Fräsen.
Weichmagnetisches Material der Schicht 5:
Z.B. weichmagnetisches Blech (z.B. Mumetall, amorphes Band) oder Folie (z.B. Ferritfolie, kunststoffgebundenes weichmagnetisches Material) oder als Schicht aus metallischem weichmagnetischen Material oder aus kunststoffgebundenem weichmagnetischen Material auf die Anordnung direkt aufgebracht, z.B. durch Drucken.
Induktion der jeweiligen Spule: I ~ μ * N2: Demnach sind eine hohe (Anfangs-)Permeabilität μ_A des weichmagnetischen Materials (in der Größenordnung von einigen 1000 bis Zig-1000) sowie eine hohe Windungszahl N der Spule vorteilhaft für ein großes Signal. (So hat z. B. Mumetall eine Anfangspermeabilität von 35 000 bei 0,4·10^–2 A/cm , eine Koerzitivfeldstärke von 0,012 A/cm und eine Sättigungsinduktion von 0,8 T.) Eine hohe Windungszahl lässt sich z.B. durch eine Multilayeranordnung von Substrat und Spulen erzeugen.
Magnetfelderzeugende Feldeinrichtung 7:
Z.B. Permanentmagnet, keine besonderen Anforderungen; er soll allerdings auch bei einer Maximaltemperatur sowie bei maximal zulässigem Abstand noch den darunterliegenden weichmagnetischen Bereich magnetisch sättigen. Der Magnet muss auf das zu messende bewegliche Teil (Objekt) montiert werden. Beispiele für Magnetma terial (rein metallisch oder kunststoffgebunden): Ferrit, AlNiCo, CoCrFe, SmCo, NdFeB.
Zur Auswertung der positionsabhängigen Signale wird die mindestens eine Spule der Schleifeneinrichtung vorteilhaft mit einer Wechselspannung beaufschlagt. Die Frequenz der Wechselspannung kann je nach Anwendung variieren; sie liegt im allgemeinen zwischen 100 Hz und 10 MHz und kann z.B. 10 kHz betragen. Die Induktion der jeweiligen Spule kann dann mit Standardmethoden der Elektronik ausgewertet werden. Dabei ist es sinnvoll, eine Differenz von zwei Spulen auszuwerten. Diese Differenz ist im wesentlichen linear abhängig von der Position der magnetfelderzeugenden Feldeinrichtung. Eine Temperaturabhängigkeit des Signals z.B. durch eine Änderung des Widerstandes der einzelnen Spulen oder durch eine Änderung der Permeabilität des weichmagnetischen Materials muss gegebenenfalls kompensiert werden. Dies erfolgt in bekannter Weise beispielsweise auf elektronischem Wege, z.B. durch eine weitere Differenzmessungen oder mit Hilfe eines Temperatursensors.
Bei der vorstehenden Darstellung von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Positionssensoren wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit nur auf deren erfindungswesentliche Teile eingegangen. Selbstverständlich erfordern ein konkreter Aufbau und ein Einsatz solcher Sensoren, beispielsweise in der Automobiltechnik, insbesondere aus Schutzgründen noch weitere Teile. So sind die Feldeinrichtung und/oder die Schleifeneinrichtung oder deren zugeordnete weichmagnetische Schicht vorteilhaft wenigstens teilweise mit Mitteln zu ihrem Schutz insbesondere gegen unerwünschte Einflüsse einer sie umgebenden Atmosphäre, die beispielsweise öl- oder benzinhaltig ist, oder gegen mechanische Beschädigungen versehen. Diese Schutzmittel müssen selbstverständlich zumindest im Bereich des Zwischenraumes zwischen der Feldeinrichtung und der Schleifeneinrichtung oder deren weichmagnetischer Schicht aus nicht-magnetischem Material bestehen. Die entsprechenden Schutzmittel können beispielsweise zu einem Gehäuse gehören, mit dem die beweglichen Teile wie insbesondere die Feldeinrichtung umschlossen oder abgedichtet ist. Auch die freie Oberfläche der Schleifeneinrichtung oder deren weichmagnetischer Schicht können mit einer Schutzschicht überzogen sein oder eine entsprechende zugeordnete Gehäusewand aufweisen. D.h. sowohl die bewegliche Feldeinrichtung als auch die ortsfesten feldsensitiven Teile des erfindungsgemäßen Positionssensors können jeweils mit einer Schutzschicht versehen sein oder in einem eigenen Gehäuse angeordnet werden.

Claims

Positionssensor (2, 10) zur berührungslosen Erfassung der Position eines ortsveränderlichen Objektes mit a) einer mit dem Objekt starr verbundenen, ein Magnetfeld erzeugenden Feldeinrichtung (7, 12), die eine der Ortsveränderung des Objektes entsprechende Auslenkung (x) aus einer Bezugsposition erfährt, b) einer Schleifeneinrichtung (4, 11), die – zwei Einzelspulen (4a, 4b; 11a, 11b) aufweist, welche jeweils aus wenigstens einem Leiter (L) mit an die Auslenkung (x) der Feldeinrichtung (7, 12) angepasster Ausdehnung (1) und mit sich gegenseitig umschließenden Windungen (w) mit sich von einer Breitseite (b) zu einer Schmalseite (s) verjüngender Außenkontur (a) gebildet sind und welche mit entgegengesetzter Verjüngungsrichtung nebeneinander angeordnet sind, und – auf wenigstens einer Flachseite mit einer weichmagnetischen Schicht (5) versehen ist, sowie c) zugeordneten Mitteln zur Messung der magnetischen Induktion der Einzelspulen(4a, 4b; 11a, 11b), welche von der magnetischen Sättigung der weichmagnetischen Schicht (5) an der Position (x_m) der berührungslos über dem Aufbau aus der Schicht und der Schleifeneinrichtung zu führenden Feldeinrichtung abhängig ist, und zu einer Differenzbildung der Induktionssignale bezüglich der Einzelspulen (4a, 4b; 11a, 11b).
Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine sich zwischen der Breitseite (b) und der Schmalseite (s) kontinuierlich verjüngende Außenkontur (a).
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifeneinrichtung (4, 11) zumindest auf ihrer der Feldeinrichtung (7, 12) zugewandten Flachseite eine weichmagnetische Schicht (5) enthält.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Feldeinrichtung (7, 12) in Form mindestens eines rein metallischen oder kunststoffgebundenen Permanentmagneten.
Sensor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Magneten, der zumindest eines der Materialien Ferrit, AlNiCo, CoCrFe, SmCo oder NdFeB wenigstens teilweise enthält.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Breite (B) seiner Feldeinrichtung (7, 12), die wenigstens gleich der Ausdehnung jeder Breitseite (b) der beiden Einzelspulen (4a, 4b; 11a, 11b) der Schleifeneinrichtung (4, 11) ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifeneinrichtung (4, 11) mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz vorzugsweise zwischen 100 Hz und 10 MHz beaufschlagt ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Brückenschaltung (20), die in wenigstens einem Brückenzweig die zwei Einzelspulen (4a, 4b) aufweist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifeneinrichtung in mehreren parallelen Ebenen angeordnete Einzelspulen aufweist.
Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Einzelspulen auf einer Flachseite eine weichmagnetische Schicht aufweisen.
Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Einzelspulen auf einer Flachseite eine weichmagnetische Schicht aufweist und damit eine Grundeinheit bildet, und dass mehrere solcher Grundeinheiten zu einem Multilagensystem angeordnet sind.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine weichmagnetische Schicht (5) aus einem Material mit einer Koerzitivfeldstärke von unter 0,1 A/cm.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine weichmagnetische Schicht (5) in Form eines Bleches oder einer Folie oder einer Schicht aus einem metallischen oder einem kunststoffgebundenen weichmagnetischen Material.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine auf einem Substrat (3) ausgebildete Schleifeneinrichtung (4, 11).
Sensor nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch ein Substrat (3) in Form einer Platte, einer Platine oder einer Folie aus einem nicht-magnetischen Material.
Sensor nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch ein durch die weichmagnetische Schicht gebildetes Substrat.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldeinrichtung (7, 12) und/oder die Schleifeneinrichtung (4, 11) oder deren zugeordnete weichmagnetische Schicht (5) mit Schutzmitteln versehen sind/ist.
Sensor nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch mindestens eine Schutzschicht oder mindestens ein Gehäuse als Schutzmittel.