DE102018007529A1

DE102018007529A1 - Sensoreinheit für ein Sensor-Geber-System sowie ein Sensor-Geber-System mit einer solchen Sensoreinheit

Info

Publication number: DE102018007529A1
Application number: DE102018007529.0A
Authority: DE
Inventors: Jochen Bantel; Peter Selka; Joachim Reichert; Andreas Paul; Jürgen Ulm; Oliver Vogel; Anatol Schwersenz
Original assignee: Kaco GmbH and Co KG
Current assignee: Kaco GmbH and Co KG
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2020-03-26
Also published as: CN112805537A; WO2020057771A1; US20210348952A1; EP3853558A1

Abstract

Die Sensoreinheit für ein Sensor-Geber-System dient zur Erfassung von zumindest rotatorischen und linearen Bewegungen eines magnetische Pole aufweisenden Bauteiles. Sie hat wenigstens einen Sensor, der wenigstens ein quer zur Bewegungsrichtung eines Magnetfeldes des Bauteiles liegender, elektrisch leitender Leiterstab ist. An ihm entsteht durch die Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld und dem Leiterstab eine Spannung, die einer Auswerteelektronik zuführbar ist. Bei dieser Sensoreinheit wird als Sensor lediglich ein einfacher Leiterstab verwendet, der sich quer zur Bewegungsrichtung eines Magnetfeldes des zugeordneten Bauteiles erstreckt. Bei der Bewegung des Bauteiles entsteht eine Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld und dem Leiterstab, wodurch im Leiterstab eine Spannung entsteht. Sie wird erfasst und der Auswerteelektronik zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Sensor-Geber-System nach dem Oberbegriff des Anspruches 12.
Für messtechnische Aufgaben an drehenden Wellen oder linearen Bewegungen kommen in industriellen Anwendungen und in der Automobilindustrie magnetische und optische Messsysteme oder vergleichbare Messsysteme zum Einsatz. Beispielsweise ist zur Steuerung einer Kraftstoffeinspritzung und des Zündzeitpunktes in Verbrennungsmotoren die Kenntnis der aktuellen Lage der Kurbelwelle wesentlich. Die hierfür eingesetzten Sensorsysteme weisen üblicherweise Hall-Sensoren auf. Sie dienen der Detektion des Magnetfeldes bzw. dessen Änderung, welche durch die Rotation entweder eines permanenterregten Geberrades als Encoder oder eines Stahlgeberrads mit entsprechendem Sensor mit Magnet hervorgerufen wird. Die Sensoren und der Encoder werden entsprechend dem Anwendungsfall positioniert. Eine Auswerteelektronik interpretiert den Signalverlauf und stellt ihn einer Regelelektronik zur Verfügung. Die bekannten Sensoreinheiten und Sensor-Geber-Systeme zur Ermittlung der Absolutlagenerkennung oder der Drehrichtungserkennung sind komplex und teuer, insbesondere wenn höchste Genauigkeiten gefordert werden. Insbesondere müssen die Sensoren üblicherweise an Gehäusebereichen zum Geberrad mechanisch hochgenau positioniert werden.
Die Genauigkeit der Signale bzw. die Gleichmäßigkeit der Signalverläufe ist häufig eingeschränkt. Zum einen ist die Positionierung der Sensoren im Gehäuse in der Regel stark toleranzbehaftet. Insbesondere Hall-ICs reagieren empfindlich auf mechanische Spannungen im Gehäuse. Eine Kompensation solcher Form- und Lagetoleranzen der Wellen und des Gehäuses ist nicht vorhanden. Diese Ungenauigkeiten finden sich im Signalverlauf wieder. Zudem sind die meisten Sensoren bezüglich ihrer Einsatztemperatur begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Sensoreinheit und das gattungsgemäße Sensor-Geber-System so auszubilden, dass sie einfach und kostengünstig herstellbar, einfach montierbar sind und dennoch höchsten Genauigkeitsanforderungen genügen.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Sensoreinheit erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und beim gattungsgemäßen Sensor-Geber-System erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 12 gelöst.
Die erfindungsgemäße Sensoreinheit zeichnet sich dadurch aus, dass als Sensor lediglich ein einfacher Leiterstab verwendet wird, der sich quer zur Bewegungsrichtung eines Magnetfeldes des zugeordneten Bauteiles erstreckt. Bei der Bewegung des Bauteiles entsteht eine Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld und dem Leiterstab, wodurch im Leiterstab eine Spannung entsteht. Sie wird erfasst und der Auswerteelektronik zugeführt.
Der elektrisch leitende Leiterstab ist ein kostengünstiges Bauteil, das direkt in das jeweilige Aggregat eingebaut werden kann, zum Beispiel unmittelbar in eine Dichtung, mit der eine drehende Welle abgedichtet wird. Mit dem Leiterstab lassen sich sehr genaue Signalverläufe aufzeichnen. Dadurch ist es einfach und dennoch zuverlässig möglich, Form- und Lageabweichungen des Bauteiles zu verringern. Wird die Sensoreinheit beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges eingesetzt, kann auf diese Weise der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors erhöht werden. Auch können dadurch die Emissionen verringert und auch Ressourcen geschont werden. Im Sensor selbst werden keine teueren und seltenen Werkstoffe benötigt.
Das Sensor-Geber-System, das die erfindungsgemäße Sensoreinheit aufweist, kann nicht nur rotatorische und lineare Bewegungen, sondern beispielsweise auch die Drehzahl, das Drehmoment, die Frequenz, die Position, die Bewegungsrichtung oder Lage- und Formabweichungen eines magnetische Pole aufweisenden Bauteiles erfassen. Diese Aufzählung ist nicht kumulativ zu verstehen.
Der Leiterstab gewährleistet eine lange Lebensdauer.
Da sich der Leiterstab direkt in ein Bauteil, beispielsweise eine Dichtung oder Dichtsystem, integrieren lässt, kann der Leiterstab entsprechende Ausgangssignale liefern, aus denen die gewünschten Informationen, wie zum Beispiel die Drehzahl, die Drehrichtung oder eine Winkelposition einer Welle, abgeleitet werden können. Diese Informationen sind für ein intelligentes Motormanagement nutzbar.
Der Leiterstab kann problemlos bei sehr tiefen und auch sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden, so dass ein Ausfall des Sensors nicht auftreten kann.
Vorteilhaft wird die Spannung durch eine Ladungstrennung im Leiterstab erzeugt. Diese Ladungstrennung tritt auf, wenn der Leiterstab im Bewegungsfeld des Magnetfeldes liegt. Aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld und dem Leiterstab erfolgt die Ladungstrennung, die zu der auszuwertenden Spannung im Leiterstab führt. Diese Spannung kann von der Auswerteelektronik ausgewertet und zur Regelung und/oder Steuerung herangezogen werden.
Bei einer konstruktiv sehr einfachen Ausbildung ist der Leiterstab Teil eines Leiterdrahtes. Dadurch kann der Leiterstab sehr einfach gebildet und in Bezug auf das Magnetfeld des sich bewegenden Bauteiles ausgerichtet werden.
Der Leiterstab befindet sich bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform auf einem Träger, der beispielsweise eine flexible Leiterplatte sein kann. Der Leiterstab kann beispielsweise auch gedruckt auf oder in einer 3D-Matrix sein. Sie ermöglicht es, die Sensoreinheit in unterschiedlichsten Anwendungen aufgrund ihrer hohen Flexibilität einzusetzen.
Es ist möglich, auf beiden Seiten des Trägers jeweils wenigstens einen Leiterstab vorzusehen. Dann können beide Leiterstäbe für unterschiedliche Funktionen eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausbildung kann der Leiterdraht beispielsweise mäanderförmig oder in paralleler Anordnung durch ein geeignetes Herstellverfahren von wenigstens zwei oder mehr Leiterstäben gebildet werden.
Vorteilhaft sind die Leiterstäbe auf den beiden Seiten des Trägers elektrisch leitend miteinander verbunden.
Zur Verringerung der Gesamtreluktanz und damit zur Erhöhung des magnetischen Flusses und der magnetischen Flussdichte im Magnetkreis ist es von Vorteil, wenn hinter der äußersten Leiterplatte eine hochpermeable Schicht vorhanden ist. Diese hochpermeable Schicht kann beispielsweise aus Mu-Metall bestehen. Die hochpermeablen Werkstoffe haben außerdem den Vorteil, dass sie äußere Fremdfelder abschirmen können, so dass die Messgenauigkeit durch solche äußeren Fremdfelder nicht beeinträchtigt werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausbildung erfasst der Leiterstab auf der einen Seite des Trägers die Bewegung des Bauteiles und der Leiterstab auf der anderen Seite des Trägers eine Bewegungsungenauigkeit und/oder Form-/Lageabweichung des Bauteiles. Ist das Bauteil beispielsweise eine Welle, dann kann mit dem einen Leiterstab beispielsweise die Drehzahl und mit dem anderen Leiterstab beispielsweise die Wellenexzentrizität erfasst werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der Träger wenigstens eine Biegelinie auf. Dadurch besteht die Möglichkeit, das Sensorelement bzw. seinen Träger so zu biegen, dass die Leiterstäbe in mehreren aufeinander liegenden Trägerelementen liegen. Zudem wird durch eine geeignete Anordnung der Leiterstäbe in den mehreren Ebenen ein optimaler Signalpegel erzielt.
Es besteht die vorteilhafte Möglichkeit, durch eine geeignete Anordnung und Verschaltung der Leiterstäbe in den mehreren Ebenen mehrere Sensoren zu integrieren.
Anstelle der Biegung des Trägers ist es auch möglich, den Träger beispielsweise in gewünschtem Maße zu wickeln, wodurch ebenfalls die Leiterstäbe in mehreren Ebenen zu liegen kommen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Träger direkt mit der Auswerteelektronik verbunden. Dann bilden der Träger und die Auswerteelektronik die Sensoreinheit, die als vorgefertigte Baueinheit ausgeliefert und beispielsweise vom Kunden eingebaut werden kann.
Das erfindungsgemäße Sensor-Geber-System zeichnet sich dadurch aus, dass es die erfindungsgemäße Sensoreinheit aufweist, die dem sich bewegenden Bauteil zugeordnet ist, das mit den magnetischen Polen versehen ist. Bewegt sich das Bauteil mit den magnetischen Polen, tritt eine Relativbewegung zwischen dem aus den magnetischen Polen resultierenden Magnetfeld und der Sensoreinheit auf, die dazu führt, dass im jeweiligen Leiterstab die zu erfassende Spannung gebildet wird.
Das Bauteil ist bevorzugt ein Encoder, beispielsweise ein Geberrad. Der Encoder umgibt eine Welle, deren Bewegungen mit der Sensoreinheit zuverlässig erfasst werden können.
Die magnetischen Pole befinden sich vorteilhaft am Umfang oder auf der Stirnseite des Encoders.
Die magnetischen Pole sind durch Permanent- oder Elektromagnete gebildet, die beispielsweise am Umfang oder der Stirnfläche des Encoders vorgesehen sein können.
Die magnetischen Pole können aber auch dadurch gebildet sein, dass der Encoder beispielsweise aus einem Blechteil mit weichmagnetischen Eigenschaften besteht, an dessen Umfang magnetische Partikel angeordnet sind, aus denen die Pole durch einen Aufmagnetisierungsprozess hergestellt werden.
Bei einem bevorzugten Anwendungsfall wird die Sensoreinheit bei einer rotierenden Welle eingesetzt, die drehfest ein mehrpoliges, permanentmagneterregtes Geberrad aufweist. Diesem Geberrad sind ein oder mehrere Sensoreinheiten, beispielsweise diametral einander gegenüberliegend zugeordnet. Wenn sie bei einer bevorzugten Ausbildung mit den flexiblen Trägern, beispielsweise Leiterplatten, versehen sind, lassen sich die Sensoreinheiten entsprechend der Krümmung des Geberrades gekrümmt einbauen. Vorteilhaft ist auf beiden Seiten des Trägers jeweils wenigstens ein Leiterstab angeordnet, der bevorzugt aus mehreren mäanderförmig ausgebildeten und miteinander elektrisch verbundenen Sensordrähten gebildet wird. Alternativ ist auch ein Wickeln der Stabanordnung möglich. Bevorzugt wird für den Leiterstab bzw. den Leiterdraht Kupfer verwendet.
Damit sich die induzierten Spannungen der einzelnen Leiterstäbe auf der bogenförmigen Sensoreinheit addieren, müssen sie untereinander denselben Winkelabstand wie die Pole auf dem Geberrad haben.
Bei einer solchen Gestaltung befindet sich beispielsweise auf der inneren Schicht der Sensoreinheit der Leiterstab, mit dem die Drehzahl erfasst wird. Entsprechend befindet sich auf der äußeren Schicht des Trägers der Leiterstab, mit dem ein Wellenschlag der Welle erfasst wird.
Die von den an der Innenseite des Trägers befindlichen Leiterstäben erzeugten Signale werden überlagert und dienen der Detektion der Drehzahl sowie der Geschwindigkeit des Geberrades. Diese innenseitigen Leiterstäbe stellen die Referenzgröße für die Signalauswertung der Wellendetektion dar.
Die Signale der Leiterstäbe auf der Außenseite der Sensoreinheiten werden überlagert. Weist die Welle keine Exzentrizität auf (die Welle läuft rund), dann ergibt sich in einem Spannungs-Zeit-Diagramm eine horizontale Linie mit der Sensorspannung 0.
Tritt jedoch eine Wellenexzentrizität auf, dann liefern die beiden Sensoreinheiten mit ihren außen liegenden Leiterstäben unterschiedliche Spannungs-Zeit-Kurven, die etwa sinusförmig verlaufen und voneinander abweichen. Das Ausmaß der Amplituden dieser Kurven ist ein Maß für die Größe der Wellenexzentrizität.
Vorteilhaft weist die Sensoreinheit wenigstens zwei Leiterstäbe auf, erstreckt sich über 360° und hat ein Magnetisierungsmuster mit gleichmäßiger Polteilung.
Hierbei ist es weiter möglich, dass das Magnetisierungsmuster mit gleichmäßiger Polteilung wenigstens eine Referenzmarke aufweist.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform hat die Sensoreinheit wenigstens zwei Leiterstäbe, erstreckt sich über 360° und ist mit einem Magnetisierungsmuster mit einer ungleichmäßigen Polteilung versehen.
Wenn die Sensoreinheit so ausgebildet ist, dass auf dem Träger mehrere Leiterstäbe für unterschiedliche Signalauswertungen vorgesehen sind, können mit der Sensoreinheit unterschiedliche Funktionen erfasst werden, wie beispielsweise die Drehzahl, ein Wellenschlag und dergleichen.
Vorteilhaft sind längs des Bauteiles wenigstens zwei Sensoreinheiten angeordnet, wodurch der Signalabgriff zuverlässig durchgeführt werden kann.
Vorteilhaft ist das Bauteil so magnetisiert, dass eine Amplituden- und/oder Frequenzmodulation möglich ist. Dadurch ist in vorteilhafter Weise beispielsweise eine Absolut-Positionserkennung (Winkellagendetektion) einer Welle möglich.
Eine Absolutlagenerkennung ist auch durch Anwendung des Nonius-Prinzips möglich.
Um die Signalhöhe optimal an den Anwendungsfall anpassen zu können, können die Pole des Bauteiles in y-Richtung gezielt unterschiedlich angeordnet werden.
Der Anmeldungsgegenstand ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch durch alle in den Zeichnungen und der Beschreibung offenbarten Angaben und Merkmale. Sie werden, auch wenn sie nicht Gegenstand der Ansprüche sind, als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen

1 in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensor-Geber-Systems,
2 in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensor-Geber-Systems mit angedeuteter drahtloser Kommunikation,
3 in einer Darstellung entsprechend 1 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensor-Geber-Systems,
4 in vergrößerter Darstellung einen Leiterstab der erfindungsgemäßen Sensoreinheit,
5 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit in schematischer Darstellung,
6 bis 8 unterschiedliche Magnetisierungsmuster eines Encoders des erfindungsgemäßen Sensor-Geber-Systems,
9 bis 15 einen Encoder des erfindungsgemäßen Sensor-Geber-Systems für den Einsatz des Nonius-Prinzips,
16 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit,
17 in schematischer Darstellung die Sensoreinheit gemäß 16 in gefaltetem Zustand,
18 in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit,
19 die Signale eines Geberrades sowie einer Sensoreinheit des erfindungsgemäßen Sensor-Geber-Systems,
20 und 21 in schematischer Darstellung die Schaltung von drei Leiterstäben einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit,
22 in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensor-Geber-Systems,
23 in schematischer Darstellung ein zweispuriges Geberrad mit zwei Sensoren,
24 in schematischer Darstellung die Erfassung eines Wellenschlages eines Geberrades durch das erfindungsgemäße Sensor-Geber-System,
25 in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Sensor-Geber-System mit einer gleichmäßigen Magnetisierung und einer ungleichmäßigen Anordnung der Leiterstäbe,
26 in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Sensor-Geber-System mit einer gleichmäßigen Anordnung von Leiterstäben und einer ungleichmäßigen Magnetisierung.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele von Sensorsystemen, mit denen eine Absolut- oder Relativlagenerkennung und/oder eine Drehrichtungserkennung von drehenden Bauteilen möglich ist, zeichnen sich dadurch aus, dass sie kostengünstig herstellbar sind, dennoch eine hohe Erkennungsgenauigkeit gewährleisten, eine lange Lebensdauer haben und über einen großen Temperaturbereich einsetzbar sind. Die Sensorsysteme werden in industriellen Anwendungen und insbesondere in der Automobilindustrie eingesetzt. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Verwendung des Sensorsystems bei einem Kurbelwellen-Dichtungsflansch, in den das Sensorsystem integriert ist.
Das Sensorsystem umfasst ein Sensor-Geberrad-System. In 1 ist schematisch als Encoder beispielhaft ein Geberrad 1 dargestellt, das drehfest auf einem drehenden Maschinenteil, insbesondere einer Welle sitzt. Das Geberrad 1 ist am Umfang mit (nicht dargestellten) Magneten versehen, die beim Drehen des Geberrades 1 um seine Achse mit einem Sensorelement 2 zusammenwirken. Das Sensorelement 2 erstreckt sich über einen Teil des Umfanges des Geberrades und ist über Signalleitungen 3 an eine Auswerteelektronik 4 angeschlossen. Das Sensorelement 2 und die Auswerteelektronik 4 bilden im Ausführungsbeispiel eine Sensoreinheit.
Das Sensorelement 2 ist in noch zu beschreibender Weise mit Leiterstäben 5 versehen, die aus elektrisch leitendem Material bestehen. Das um seine Achse drehende Geberrad 1 mit seinen Permanentmagneten erzeugt ein zeitlich sich änderndes Magnetfeld, das aufgrund der Lorentz-Kraft zu einer Ladungsverschiebung in den Leiterstäben 5 führt. Diese Ladungsverschiebung führt zu einem analogen Sensorsignal, das über die Signalleitungen 3 der Auswerteelektronik 4 zugeführt wird. Sie bereitet die analogen Sensorsignale auf und digitalisiert sie. Das digitale Ausgangssignal der Auswerteelektronik 4 wird über Signalleitungen 6 einem Steuergerät 7 zugeführt, das die Ausgangssignale auswertet. Je nach Ausbildung des Sensorelementes 2 können die von ihm ausgesandten Signale Informationen über die Drehzahl oder die Drehrichtung des Geberrades oder auch andere Informationen enthalten.
Das Steuergerät 7 kann auch dazu dienen, die Auswerteelektronik 4 mit der notwendigen Versorgungsspannung 8 zu versehen.
Das Sensorelement 2 kann ohne zusätzliche Zentrierungs- und Montagevorrichtungen direkt in die Anwendung integriert werden.
2 zeigt in schematischer Darstellung ein Sensorsystem, das energieautark ist. Dem Geberrad 1 ist das Sensorelement 2 mit den Leiterstäben 5 zugeordnet. Die Sensorsignale werden über die Signalleitungen 3 der Auswerteelektronik 4 zugeleitet.
Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 erfolgt die bidirektionale Datenübertragung zwischen der Auswerteelektronik 4 und dem Steuergerät 7 drahtlos.
Das Sensorelement 2 versorgt die Auswerteelektronik 4 mit der notwendigen Versorgungsspannung 8. Im Übrigen ist diese Ausführungsform gleich ausgebildet wie das vorige Ausführungsbeispiel.
Das Sensorsystem gemäß 3 entspricht der Ausführungsform gemäß 1. Der Unterschied besteht darin, dass sich das Sensorelement 2 nicht nur über einen Teil des Umfanges des Geberrades 1, sondern über den gesamten Umfang erstreckt.
Auch bei der Ausführungsvariante gemäß 2 kann das Sensorelement 2 als 360°-Sensorelement entsprechend 3 ausgebildet sein.
4 zeigt in vergrößerter Darstellung beispielhaft den Leiterstab 5, der als elektrischer Leiter ausgebildet ist. Er ist ortsfest vorgesehen und liegt mit geringem Abstand dem sich drehenden Geberrad 1 gegenüber. Die ortsfeste Lagerung des Leiterstabes 5 ist durch x₀ gekennzeichnet.
Die Sensorspannung entsteht durch eine Ladungstrennung im Leiterstab 5. Schneidet der Leiterstab aufgrund einer Relativbewegung die Magnetfeldlinien 10 des drehenden Geberrades 1, wirkt auf die im Leiterstab 5 vorhandenen Ladungsträger 9 (Elektronen) die Lorentz-Kraft F_L .
Aufgrund dieser Ladungstrennung baut sich entlang des Leiterstabes 5 mit der Länge l_y ein elektrisches Feld E auf, das der Ladungstrennung entgegenwirkt. Im stationären Fall herrscht ein Kräftegleichgewicht zwischen der elektrostatischen Kraft F_el und der Lorentz-Kraft F_L : $F_{L} = - F_{el}$
Für die Lorentz-Kraft F_L gilt $F_{L} = e \cdot B \cdot v .$
Hierbei ist vorausgesetzt, dass der Geschwindigkeitsvektor $\overset{⇀}{v}$
senkrecht zum Vektor der magnetischen Flussdichte B liegt. Dabei ist e die Gesamtladung der Ladungsträger 9.
Für die elektrostatische Kraft F_el gilt $F_{el} = e \cdot E .$
Werden diese Beziehungen in die obige Gleichung eingesetzt, ergibt sich folgendes: $e \cdot B_{z} \cdot v_{x} = - e \cdot E .$
Daraus folgt $B_{z} \cdot v_{x} = - E .$
Mit der bekannten Beziehung $E = \frac{U}{l_{y}}$
ergibt sich damit $U = - B_{z} \cdot l_{y} \cdot v_{x} .$
Hierbei bedeutet l_y die Länge des Leiterstabes 5.
Auf diese Weise kann die Spannung U am Leiterstab 5 berechnet werden. Durch die Drehung des Geberrades 1 hat das Magnetfeld eine transversale Bewegungsrichtung. Der ortsfeste Leiterstab 5 liegt im transversalen Magnetfeld B, das sich mit der Geschwindigkeit v_x durch den Leiterstab 5 hindurch bewegt. Dies führt zu der beschriebenen Ladungstrennung und damit zu einem elektrischen Spannungsabfall entlang des Leiterstabes 5. Die elektrischen Abstoßungskräfte F_el und die Lorentz-Kraft F_L bilden einen Gleichgewichtszustand. Bei Abwesenheit des äußeren Magnetfeldes B wird die Ladungstrennung wieder aufgehoben.
Durch geeignete Ausführung, beispielsweise Anzahl oder Länge der Stäbe oder Mehrlagigkeit, kann die Amplitude des Sensorausgangssignals angepasst werden.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das Sensorelement. Es hat zwei Leiterstabgruppen 13 und zwei Leiterstabgruppen 14, die in unterschiedlichen Ebenen liegen. Jede Leiterstabgruppe 13, 14 ist mit parallel zueinander liegenden Leiterstäben 5, 5' versehen. Hinter den Leiterstabgruppen 13 und 14 befindet sich vorteilhaft ein hochpermeabler Werkstoff, wie beispielsweise Mu-Metall. Durch einen solchen Werkstoff wird die Gesamtreluktanz verringert, wodurch der magnetische Fluss und damit die magnetische Flussdichte im Magnetkreis erhöht werden. Außerdem können durch einen solchen Werkstoff äußere Fremdfelder abgeschirmt werden.
Im Ausführungsbeispiel weist jede Leiterstabgruppe 13, 14 jeweils parallel zueinander liegende Leiterstäbe 5, 5' auf, die sich senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor $\overset{⇀}{v}$
des Magnetfeldes erstrecken. Die Leiterstäbe 5, 5' jeder Leiterstabgruppe 13, 14 sind untereinander elektrisch leitend verbunden. Vorzugsweise wird ein Leiterdraht verwendet, der einem mäanderförmigen Verlauf folgt, so dass die parallel zueinander liegenden Leiterstäbe 5, 5' gebildet werden.
Die Leiterstabgruppen 13, 14 sind mit einem Bezugspotential 15 leitungsverbunden und an die Auswerteelektronik 4 angeschlossen.
Die in zwei unterschiedlichen Ebenen angeordneten Leiterstabgruppen 13, 14 sind an Durchkontaktierpunkten 16 miteinander leitungsverbunden, welche die zwischen den Leiterstabgruppen 13, 14 befindliche Zwischenschicht durchsetzen.
In 5 ist ein Teil des Geberrades 1 mit seinen Permanentmagneten 17 am Umfang dargestellt. Die Permanentmagnete 17 sind abwechselnd als Nord- und Südpole hintereinander angeordnet. Die Polteilung τ ist konstant.
Die Leiterstäbe 5, 5' sind so ausgerichtet, dass sie parallel zur Drehachse des Geberrades 1 und senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor $\overset{⇀}{v}$
liegen. Beim Drehen des Geberrades 1 wird in den Leiterstäben 5, 5' eine Ladungstrennung aufgrund der Relativbewegung zwischen den Magnetfeldlinien der Permanentmagneten 17 des Geberrades 1 und den Leiterstäben 5, 5' erzeugt, so dass an den Leiterstäben 5, 5' die Spannung U entsteht, die von der Auswerteelektronik 4 ausgewertet und verarbeitet wird, um beispielsweise die Drehrichtung, die Drehzahl oder die Winkelposition des drehenden Maschinenteiles zu bestimmen.
Das Sensorsystem zeichnet sich durch eine sehr kompakte Ausbildung aus. Die Leiterstabgruppen 13, 14 können so gestaltet sein, dass bei kompakten Abmessungen eine relativ hohe Zahl von Leiterstäben 5, 5' gebildet wird. Es ergibt sich ein sehr hoher Nutzsignalpegel, der eine zuverlässige Auswertung der vom Sensorelement gelieferten Signale ermöglicht. Das Sensorelement ist vorteilhaft als Multi-Layer-Leiterplatte ausgebildet. Die Leiterstabgruppen 13, 14 befinden sich auf beiden Seiten der Leiterplatte und sind über die Durchkontaktierungen 16 in bekannter Weise elektrisch leitend miteinander verbunden.
Die 6 und 7 zeigen zwei beispielhafte Magnetisierungsmuster und deren Spannungsverlauf für das Geberrad 1 beispielhaft für einen einstäbigen Sensor. Dargestellt sind die Permanentmagnete 17 des Geberrades 1.
6 zeigt ein frequenzmoduliertes Magnetisierungsmuster. Die Amplitudenhöhe wird durch die Doppelpole in y-Richtung korrigiert. Dies gilt bei konstanter Geschwindigkeit. Die Frequenzmodulierung wird durch eine entsprechende unterschiedliche, in x-Richtung gemessene Breite der Permanentmagnete 17 erreicht. Die Breite der einzelnen Permanentmagnete 17 nimmt über den Umfang zunächst ab und anschließend wieder zu. Der Frequenzverlauf über den Umfang des Geberrades bezüglich der Spannung U_ind zeigt, dass die Amplitude der Kurve gleich ist, die halbe Frequenz T hingegen über den Umfang des Geberrades variiert. Je schmaler die einzelnen Pole der Permanentmagnete 17 sind, desto größer wird auch die Frequenz T. Beispielhaft ist die Frequenz T₁ im Bereich des breitesten Permanentmagneten 17 und die Frequenz T_n im Bereich eines schmaleren Poles dargestellt.
In Ergänzung zu 6 zeigt 7 ein Polmuster, mit dem eine reine Amplitudenmodulation erreicht wird. Im Unterschied zum Magnetisierungsmuster gemäß 6 haben die Permanentmagnete 17 in x-Richtung gleiche Breite. Dadurch variiert die Amplitudenhöhe über den Umfang des Geberrades, während die halbe Frequenz T über den Umfang des Geberrades gleich ist.
Eine Kombination aus Frequenz- und Amplitudenmodulation ist ebenfalls denkbar.
8 zeigt ein solches Beispiel. Durch entsprechende Gestaltung der Permanentmagnete 17 bzw. Polmuster lässt sich der gewünschte Modulationsverlauf einstellen. Sowohl die Frequenz als auch die Amplitude ändern sich über den Umfang des Geberrades. Die beispielhaft beschriebenen Polmuster gemäß den 6 bis 8 zeigen, dass das Sensorsystem je nach Anforderungen und/oder Anwendungsfall optimiert werden kann.
Beispielhaft können die Polmuster aus 6 und 7, erfasst mit einem über 360°-angeordneten Sensor, ein gleichmäßiges inkrementelles Signal ausgeben und zusätzlich durch Erfassung mit einem einstäbigen Sensor das jeweils frequenz- und/oder amplitudenmodulierte Signal.
Alternativ können Signalmodulationen auch durch eine geeignete Stabanordnung erreicht werden.
Es besteht auch die Möglichkeit, die beschriebenen Magnetisierungsmuster als Multipol-Encoder darzustellen. Am Umfang des Geberrades 1 befinden sich magnetische Partikel, die in eine Bindemasse eingebettet sind. Durch einen Aufmagnetisierungsprozess werden die Permanentmagnetpole am Umfang des Geberrades 1 gebildet.
Anhand der 9 bis 11 wird exemplarisch eine Absolutcodierung nach dem Nonius-Prinzip beschrieben, das beim Sensor-Geber-System eingesetzt werden kann. Da dieses Prinzip bekannt ist, wird es allerdings nur kurz erläutert. Das Geberrad 1 weist drei Inkrementalspuren mit unterschiedlichen Zähnezahlen auf. In den 9 bis 11 sind diese Inkrementalspuren beispielhaft als drei Geberräder 1 dargestellt, die 12, 15 und 16 Zähne (Polpaare) aufweisen. Diese drei Inkrementalspuren werden separat abgetastet und digitalisiert.
Die oberen rechten Abbildungen der 9 bis 11 zeigen die Sinussignale der drei Spuren über einen Drehwinkel von 360°. Aus diesen Sinuskurven werden die Phasenwinkel α₁ bis α₃ durch Digitalisierung ermittelt.
Aus den Phasenwinkeln α₁ bis α₃ werden die Phasenbeziehungen β₁ ( 12) und β₂ (14) ermittelt. Der Kurvenverlauf bezüglich der Phasenbeziehung β₁ wird nach der Beziehung β₁ = α₁ - α₂ und der Phasenwinkel β₂ nach der Beziehung β₂ = α₁ - α₃ ermittelt.
Aus den Phasenbeziehungen β₁ und β₂ lässt sich der Winkelwert α berechnen. Dieser Winkelwert ist in den 13 und 15 abgebildet. Der aus der Phasenbeziehung β₁ sich ergebende Winkelwert α (13) verläuft über einen Winkelbereich von 360° linear.
In 15 ist schematisch dargestellt, wie aus den Winkelbeziehungen β₁ , β₂ der Winkelwert α berechnet werden kann. Der Wert α₁ liefert die Feinauflösung.
Abhängig vom Anwendungsfall des Sensorsystems und vom verwendeten Geberrad kann die Zahl und/oder der Abstand der Leiterstäbe 5, 5' voneinander verändert werden. So kann beispielsweise ein 0°-Sensor dadurch einfach hergestellt werden, dass das Sensorelement 2 nur einen einzigen Leiterstab 5 aufweist.
Die Sensorelemente 2 können von einem 0°-Sensorelement bis zu einem 360°-Sensorelement ausgebildet sein, wobei eine entsprechende Zahl von Leiterstäben 5, 5' eingesetzt wird, die sich auch auf unterschiedlichen Lagen befinden können. Die Art der Sensorelemente ist abhängig von der Polzahl der eingesetzten Permanentmagnete 17.
Die Leiterstäbe 5 können in gleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet sein. Anstelle einer solchen periodischen Anordnung kann auch eine aperiodische Anordnung der Leiterstäbe 5, 5' längs des Umfanges des Geberrades 1 vorgesehen sein. Auch ist eine Kombination einer periodischen und einer aperiodischen Anordnung der Leiterstäbe 5, 5' möglich. Auf diese Weise kann das Sensor-Geber-System an den vorgesehenen Einsatzfall so angepasst werden, dass eine exakte Messung der Drehzahl und/oder Drehrichtung und/oder anderen Signalinformationen möglich ist.
Auch kann die Zahl der Lagen von Leiterstäben in Abhängigkeit von der Anwendung angepasst werden. Bei der Ausführungsform gemäß 5 sind die Leiterstabgruppen 13, 14 in zwei übereinander liegenden Lagen angeordnet. Das Sensorelement kann jedoch auch so ausgebildet sein, dass es vierlagig, sechslagig, achtlagig, ... ausgebildet ist. Dadurch kann auch Einfluss auf die Größe des Signalpegels genommen werden.
Eine weitere Einstellmöglichkeit besteht darin, den Abstand zwischen den Leiterstäben 5, 5' an den Anwendungsfall anzupassen. So ist es beispielsweise möglich, dass der Abstand zwischen den Leiterstäben 5, 5' einem Fünftel der Polteilung τ entspricht. Der Abstand zwischen den Leiterstäben 5, 5' wird auf jeden Fall so gewählt, dass eine zuverlässige Ladungstrennung gewährleistet ist.
16 zeigt ein Sensorlayout für ein Sensorelement 2, das aus sechs Lagen (Layer 1 bis Layer 6) besteht. Das Sensorelement hat als Leiterplatte einen flexiblen, folienartigen Träger 21, der beispielhaft rechteckigen Umriss aufweist und beispielsweise aus Polyimid besteht.
Der Träger 21 wird längs der quer zu seiner Längsrichtung verlaufenden Biegelinien 22 so gefaltet, dass die Layer 1 bis 6 aufeinander liegen ( 17). Die Layer 1 bis 6 haben jeweils gleiche Breite, so dass sie im gefalteten Zustand deckungsgleich aufeinander liegen.
Jeder Layer 1 bis 6 ist nahe den Längsrändern des Trägers 21 mit Durchtrittsöffnungen 23 versehen. Liegen die Layer 1 bis 6 aufeinander, dann liegen auch die Durchtrittsöffnungen 23 deckungsgleich aufeinander. Durch sie können dann Befestigungsmittel gesteckt werden, um die aufeinander liegenden Layer 1 bis 6 fest miteinander zu verbinden.
Der Träger 21 ist mit vier Leiterdrähten 24 bis 27 versehen, die an die Auswerteelektronik 4 angeschlossen sind. Diese Leiterdrähte können beispielsweise aus Kupfer, Silber, Gold, Platin oder Nickel bestehen. Die Leiterdrähte 24 und 25 sind etwa mäanderförmig derart angeordnet, dass die Leiterstäbe 5 gebildet werden, die sich senkrecht zur Längsrichtung des Trägers 21 erstrecken. Im Ausführungsbeispiel haben die Leiterstäbe 5 gleichen Abstand voneinander. Sie sind so ausgebildet, dass sie jeweils Abstand von den benachbarten Längsrändern 28, 29 des Trägers 21 haben. Die Leiterstäbe 5 bilden zwei Sensoren.
Die Leiterdrähte 24, 26 sind jeweils so gebogen, dass beide Enden an die Auswerteelektronik 4 angeschlossen sind.
Der Träger 21 weist bei der dargestellten Ausführungsform die sechs Lagen (Layer 1 bis 6) auf, die durch Biegen längs der Biegelinien 22 aufeinander liegend miteinander verbunden werden. Dadurch kann eine sehr kompakte Ausbildung des Sensorelementes erreicht werden.
Die beiden Sensoren befinden sich auf beiden Seiten des Trägers 21. Hinter dem letzten Layer der Sensoren ist ein hochpermeabler Werkstoff vorgesehen, vorzugsweise Mu-Metall. Mu-Metall hat eine hohe Permeabilität, die bewirkt, dass sich der magnetische Fluss niederfrequenter Magnetfelder im Material konzentriert. Insbesondere wird durch den Einsatz dieses Materials eine Verstärkung des Nutzsignals durch Rückschlussbildung, aber auch eine Abschirmung von Störfeldern erreicht. Solche Störfelder können bei einem Kraftfahrzeug beispielsweise von Elektromotoren oder Startern erzeugt werden. Als hochpermeabler Werkstoff kommen auch ferritische Folien, dünnes Trafoblech oder auch hart- oder weichmagnetische Werkstoffe u.a. in Betracht.
Je nach Einsatzfall können letztlich beliebige Varianten erstellt und gefertigt werden. So können mehrlagige, wie drei-, vier-, fünflagige ... Layouts erstellt und gefertigt werden. Die Zahl der Lagen ist beispielsweise abhängig von der Drehzahl des drehenden Maschinenteils und/oder vom Abstand zwischen dem Geberrad 1 und dem Sensorelement 2 und/oder von der Polteilung des Geberrades 1. Je geringer die Drehzahl des drehenden Bauteiles ist, desto kleiner sind auch die durch die Leiterstäbe 5 erreichbaren Spannungen. Darum werden bei geringeren Drehzahlen mehr Lagen eingesetzt. Auch bei kleinerer Polteilung ist es von Vorteil, eine entsprechend größere Zahl von Lagen zu verwenden.
17 zeigt ein konkretes Beispiel eines mehrfach gefalteten, mehrlagigen Sensorelementes 2, das mit der Auswerteelektronik 4 verbunden ist.
Wird das Sensorelement für rotatorische Anwendungen eingesetzt, lässt es sich entsprechend dem Durchmesser des rotierenden Bauteiles formen. Hierbei kann das Sensorelement 2 so gestaltet sein, dass es sich nur über einen Teil des Umfanges des Geberrades 1 erstreckt, wie es beispielhaft in den 1 und 2 dargestellt ist. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit kann sich das Sensorelement 2 auch über einen Winkelbereich von 360° erstrecken (3).
Um durch eine Magnetisierung des Geberrades 1 eine Absolut-Drehlagen-Erkennung zu erreichen, können in das Magnetisierungsmuster des Geberrades 1 zusätzliche Informationen integriert sein. Solche zusätzlichen Informationen sind beispielsweise die Frequenz oder die Amplitude der induzierten Spannung U_ind . Auch durch periodisch/aperiodisch wiederkehrende Magnetisierungsmuster lässt sich die Absolut-Drehlagen-Erkennung erreichen. Dies ist beispielhaft anhand der 6 bis 8 erläutert worden.
Durch eine geeignete Kombination von gleichmäßiger und/oder ungleichmäßiger Anordnung der Leiterstäbe 5, 5' und einer gleichmäßigen und/oder ungleichmäßigen Magnetisierung des Encoders 1 kann eine genaue Inkremental-Drehlagen(Winkelposition)-Erkennung realisiert werden.
25 zeigt beispielhaft die Kombination einer gleichmäßigen Magnetisierung und einer ungleichmäßigen Anordnung der Leiterstäbe 5, 5'. Die Pole 17 sind gleich ausgebildet, während die Leiterstäbe 5, 5' so angeordnet sind, dass sie unterschiedlichen Abstand voneinander haben, über die Länge des Encoders 1 gesehen.
26 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine gleichmäßige Stabanordnung mit einer ungleichmäßigen Magnetisierung kombiniert ist. Die Leiterstäbe 5, 5' haben über die Länge des Encoders gleichen Abstand voneinander, während die Pole 17 des Encoders 1 unterschiedlich gestaltet sind.
Der einfache Aufbau des Sensorelementes 2 bietet die Möglichkeit, mehrere Sensorelemente 2 zum Geberrad 1 einfach zu positionieren. Dadurch kann der Signalabgriff an einer Stelle erfolgen. Diese mehreren Sensorelemente 2 können parallel mit einem mehrspurigen Geberrad 1 realisiert werden. Es ist aber auch möglich, mehrere Sensorelemente 2 phasenverschoben auszubilden. In diesem Falle reicht ein einspuriges Geberrad 1 als Encoder aus.
Die Mehrspurigkeit, die in Geberrädern häufig realisiert ist, kann auch in eine entsprechende Sensoranordnung umgesetzt werden. Im Extremfall kann mit einer Zahl x von Sensorelementen 2 und einer Zahl y von Spuren auf dem Geberrad 1 als Encoder ein mehrdimensionaler Bitraum erzeugt werden.
18 zeigt beispielhaft ein Sensorlayout mit drei Sensoren A, A' und B, die jeweils die Leiterstäbe 5 haben. Sie besitzen die gleiche Länge und zueinander den gleichen Abstand innerhalb ihrer Gruppe. Die Sensoren A und A' sind um den halben Stababstand zueinander versetzt angeordnet. Der Sensor B erkennt die Referenzmarke. Die Leiterstäbe 5 sind auf dem Träger 21 des Sensorelementes 2 angeordnet. Die Enden der die Leiterstäbe 5 bildenden Leiterdrähte sind an die Auswerteelektronik 4 angeschlossen, die in 18 nur angedeutet ist. Die Leiterstäbe 5 erstrecken sich wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen quer zur Drehrichtung des Geberrades 1 ( 5). Die Leiterstäbe 5 sind Bestandteil von Leiterdrähten, deren Enden an die Auswerteelektronik 4 angeschlossen sind.
Die mehrlagige Gestaltung des Sensorelementes 2 führt zu einer Erhöhung der Signalpegel und damit zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit. Die Mehrlagigkeit des Sensorelementes 2 kann, wie beschrieben, durch Falten des Trägers 21 erreicht werden. Eine Mehrlagigkeit lässt sich aber auch beispielsweise durch Wickeln des Trägers 21 erreichen.
Durch Falten des Sensorelementes 2 können in mehreren Ebenen mehrere Sensoren in Form der Leiterstäbe 5, 5' bzw. Leiterdrähte 24 bis 27 angeordnet sein. Das verwendete, beschriebene Material ermöglicht eine höhere Temperaturbeständigkeit und Temperaturstabilität des Sensors als die bislang eingesetzten herkömmlichen Sensoren, wie Hall- oder AMR-Sensoren. Dadurch kann das Sensorelement in Bauteile integriert werden, die einer Vulkanisation unterworfen werden müssen.
Durch den Einsatz der hochpermeablen Werkstoffe lässt sich die Gesamtreluktanz verringern, wodurch der magnetische Fluss und die magnetische Flussdichte im Magnetkreis erhöht werden.
Weiter können durch den Einsatz der hochpermeablen Werkstoffe im oder am Sensorelement äußere Fremdfelder zuverlässig abgeschirmt werden.
Werden mehrere Sensoren in Form der Leiterstäbe 5, 5' eingesetzt, ist eine Drehrichtungserkennung möglich.
Das Sensorelement 2 kann sich über einen definierten Bereich des Umfangs des Geberrades überdecken. Dadurch lassen sich Summen- und Einzelteilungsfehler wirkungsvoll kompensieren. Die Überdeckung kann im Maximalfall bis zu 360° oder sogar mehr betragen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, über den Umfang des Geberrades 1 die Sensorelemente 2 unterteilt oder in Bereichen verteilt anzuordnen.
Da das Sensorelement 2 einen definierten Bereich des Umfanges überdeckt, können Summen- und Einzelteilungsfehler kompensiert werden. Diese Überdeckung kann im Maximalfall bis zu 360 ° gehen, wie 3 zeigt. In 19 ist der Signalverlauf 30 für das Sensorelement 2 und der Signalverlauf 31 für das Geberrad 1 dargestellt. Beispielhaft ist angegeben, dass der Signalverlauf 31 des Geberrades 1 eine Unregelmäßigkeit aufweist. Das Sensorelement 2 hingegen zeigt einen gleichmäßigen Kurvenverlauf 30, insbesondere auch in dem Bereich, in dem die Kurve 31 des Geberrades 1 einen Fehler aufweist. Dadurch ist es möglich, den Fehler, den das Geberrad 1 verursacht, mittels der Signale des Sensorelementes 2 zu kompensieren.
Durch eine entsprechende Magnetisierung des Geberrades 1 (frequenz/ amplitudenmoduliert) ist eine zuverlässige Absolut-Drehlagenerkennung möglich.
Das Sensorelement 2 lässt sich einfach leiterplattenbasiert herstellen, beispielsweise mittels 3-D-Druck, Siebdruck oder weitere bekannte Verfahren.
Die Leiterstäbe 5, 5' bzw. die Leiterdrähte 24 bis 27 bestehen vorteilhaft aus Kupfer, können aber auch aus anderen Werkstoffen mit entsprechenden, gegebenenfalls sogar besseren elektrischen Eigenschaften hergestellt werden.
Die Leiterstäbe 24 bis 27 sind einfache Metalldrähte und keine Halbleiter mehr. Dies trägt zu einer kostengünstigen Herstellung des Sensorelementes 2 bei.
Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf rotatorische Anwendungen. Das Sensor-Geber-System kann selbstverständlich auch für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen lineare Bewegungen ausgeführt werden.
Auf dem Geberrad 1 kann ein beliebiges Polmuster aufgebracht sein, das einer entsprechenden Anordnung der Leiterstäbe 5, 5' des Sensorelementes 2 gegenüberliegt. Dadurch wird die Messgenauigkeit, die Absolutlagenerkennung und dergleichen erhöht.
Das Sensor-Geber-System arbeitet sehr energieeffizient und kann somit durch geringen Aufwand energieautark ausgelegt werden. Der Spannungsabgriff erfolgt einseitig am jeweiligen Leiterdraht 24 bis 27. Dies trägt zu einem einfachen Aufbau bei.
20 und 21 zeigen die Möglichkeit, das Sensorelement mit drei Sensoren S1 bis S3 zu versehen.
21 zeigt das entsprechende Schaltungsbild. Die Sensoren S1 bis S3 sind beispielsweise über eine Dreieck-Verschaltung miteinander elektrisch verbunden. Durch eine solche Verschaltung der Sensoren S1 bis S3 lässt sich das Niveau der Sensorspannung erhöhen. Auch andere Verschaltungen sind möglich.
Die drei Sensoren S1 bis S3 sind jeweils um 2/3 einer Polteilung τ versetzt vorgesehen. Dadurch kann der Drehwinkel der Welle mit hoher Auflösung bestimmt werden.
Das Geberrad 1 weist die Permanentmagnete 17 mit dem dargestellten Polmuster auf. Die Leiterstäbe 5 der drei Sensoren S1 bis S3 liegen senkrecht zur Bewegungsrichtung $\overset{⇀}{v}$
des Geberrades 1. Die Leiterstäbe 5 sind mit ihrem einen Ende an das Bezugspotential 15 angeschlossen. Die anderen Enden sind über die Dreieck-Schaltung miteinander verknüpft.
Jeder Sensor S1 bis S3 hat jeweils zwei Leiterstäbe 5.
Durch eine auf dem Sensorprinzip basierende Leistungsversorgungseinheit 7 kann die Auswerteelektronik 4 mit Energie versorgt werden, so dass das gesamte Sensorsystem energieautark sein kann. Dies ist beispielhaft in 22 dargestellt. Dem Geberrad 1 ist das Sensorelement 2 zugeordnet. Die Auswerteelektronik 4 erhält vom Geber-Sensorelement-System die Versorgungsspannung 8 und die Sensorsignale 3'.
23 zeigt beispielhaft ein zweispuriges Geberrad 1, bei dem die Permanentmagnete 17 in zwei Spuren 32 und 33 angeordnet sind. Die Permanentmagnete 17 können in den beiden Spuren 32, 33 unterschiedliche Polmuster aufweisen, wie aus 23 hervorgeht.
Den beiden Spuren 32, 33 ist jeweils ein Sensor 34, 35 zugeordnet. Die Sensoren 34, 35 können entsprechend den beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgebildet sein. Der einfache Aufbau der Sensoren, wie anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele erläutert, ermöglicht eine sehr einfache Positionierung relativ zum Encoder 1 bzw. seinen Spuren 32, 33. Die Sensoren 34, 35 können sich, wie dargestellt, nur über einen Teil des Umfanges des Encoders, aber auch über 360 Grad erstrecken.
Durch eine geeignete Sensor-Encoder-Anordnung können weitere Informationen erfasst und genutzt werden. So ist bei rotatorischen Anwendungen beispielsweise ein Wellenschlag einfach und zuverlässig festzustellen. 24 zeigt in schematischer Darstellung ein entsprechendes Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist ein hochpoliges, permanenterregtes Geberrad 1, das über seinen Umfang die Permanentmagnete 17 aufweist. Das System weist außerdem zwei um 180 Grad zueinander versetzte Sensoren 36, 37 auf, die beispielsweise eine flexible Leiterplatte als Träger 21 aufweisen. Auf beiden Seiten der Leiterplatte 21 befindet sich die Sensorstruktur mit den mäanderförmig angeordneten Leiterstäben 5, die miteinander in der beschriebenen Weise elektrisch leitend verbunden sind. Damit sich die induzierten Spannungen der Leiterstäbe 5 auf dem teilbogenförmigen Sensor 36, 37 addieren, müssen die Leiterstäbe 5 untereinander den gleichen Winkelabstand wie die Pole am Umfang des Geberrades 1 aufweisen.
Beispielsweise wird mit der inneren Schicht von Leiterstäben 5 die Drehzahl des Geberrades 1 und mit den Leiterstäben 5 der äußeren Schicht des Sensors ein Wellenschlag des Geberrades 1 erfasst. Der Wellenschlag des Geberrades 1 ist durch die eingezeichnete Exzentrizität 38 des Geberrades 1 angegeben. Das Exzentrizitätsmaß 38 hat zur Folge, dass sich beim Drehen des Geberrades 1 der Abstand zu den beiden Sensoren 36, 37 verändert. Dies ist in 24 in der rechten Abbildung durch die gestrichelte Linie 39 kenntlich gemacht. Dieser unterschiedliche Abstand zwischen dem drehenden Geberrad 1 und dem Sensor 36, 37 wird von den Leiterstäben 5 auf der äußeren Schicht der Sensoren erfasst. Auf diese Weise kann ein unerwünschter Wellenschlag sofort erkannt werden, so dass frühzeitig Maßnahmen hiergegen ergriffen werden können.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können direkt in die jeweilige Anwendung eingebaut werden. Durch die Integration des Sensorelementes 2 in die Anwendung kann die Toleranzkette kleingehalten werden, wodurch die Messgenauigkeit erhöht wird. Es sind keine zusätzlichen Maßnahmen für eine Zentrierung, Positionierung und Montage eines Sensor-Geber-Systems erforderlich, was die Herstellkosten wesentlich verringert.
Im Vergleich zum bekannten komplexen Hallsensor-System ist das beschriebene Sensor-Geber-System kostengünstiger herzustellen.
Der (die) Sensor(en) einschließlich weiterer elektrischer/elektronischer Bauteile, insbesondere von Kondensatoren, kann (können) durch Leiterplatten-Drucktechnik auf flexiblen Leiterplatten einfach und kostengünstig hergestellt werden. Infolge der konstruktiv einfachen Gestaltung und Ausbildung des Sensorelementes 2 ergibt sich eine hohe Robustheit sowie eine sehr hohe Lebensdauer.
Der Sensor kann auch direkt in die Anwendung oder auf entsprechende Bauteile aufgebracht werden, beispielsweise durch Drucken.
Das beschriebene Sensor-Geber-System kann für rotatorische (axiale, radiale) und für lineare Anwendungen eingesetzt werden.

Claims

Sensoreinheit für ein Sensor-Geber-System zur Erfassung von zumindest rotatorischen und linearen Bewegungen eines magnetische Pole aufweisenden Bauteiles, mit wenigstens einem Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor wenigstens ein quer zur Bewegungsrichtung eines Magnetfeldes des Bauteiles (1) liegender, elektrisch leitender Leiterstab (5, 5') ist, an dem durch die Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld und dem Leiterstab (5, 5') eine Spannung (U) entsteht, die einer Auswerteelektronik (4) zuführbar ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (U) durch eine Ladungstrennung im Leiterstab (5, 5') erzeugt wird.
Sensoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterstab (5, 5') Teil eines Leiterdrahtes (24 bis 27) ist.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterstab (5, 5') auf einem Träger (21) sitzt.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten des Trägers (21) jeweils wenigstens ein Leiterstab (5, 5') vorgesehen ist.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterdraht (24 bis 27) mäanderförmig ausgebildet ist.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstäbe (5, 5') auf den beiden Seiten des Trägers (21) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass hinter den Leiterstäben (5, 5') des Trägers (21) eine hochpermeable Schicht liegt.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterstab (5, 5') auf der einen Seite des Trägers (21) die Bewegung des Bauteiles (1) und der Leiterstab auf der anderen Seite des Trägers (21) eine Bewegungsungenauigkeit und/oder Form-/Lageabweichung des Bauteiles (1) erfasst.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (21) wenigstens eine Biegelinie (22) aufweist.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (21) mit der Auswerteelektronik (4) verbunden ist.
Sensor-Geber-System zur Erfassung von zumindest rotatorischen und linearen Bewegungen, mit wenigstens einem magnetische Pole aufweisenden Bauteil und wenigstens einer den Polen zugeordneten Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Sensor-Geber-System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) ein Encoder ist.
Sensor-Geber-System nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Encoder (1) mit den magnetischen Polen (17) versehen ist.
Sensor-Geber-System nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Pole (17) durch Permanentmagnete oder Elektromagnete gebildet sind, die auf dem Encoder (1) vorgesehen sind.
Sensor-Geber-System nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Encoder (1) zur Bildung der Pole (17) magnetisiert ist.
Sensor-Geber-System nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Leiterstäbe (5) an die Polteilung angepasst ist.
Sensor-Geber-System nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit wenigstens zwei Leiterstäbe (5, 5') aufweist, sich über 360° erstreckt und ein Magnetisierungsmuster mit gleichmäßiger Polteilung aufweist.
Sensor-Geber-System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetisierungsmuster mindestens eine Referenzmarke aufweist.
Sensor-Geber-System nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit wenigstens zwei Leiterstäbe (5, 5') aufweist, sich über 360° erstreckt und ein Magnetisierungsmuster mit ungleichmäßiger Polteilung aufweist.
Sensor-Geber-System nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Träger (21) mehrere Leiterstäbe (5, 5') für unterschiedliche Signalauswertungen vorgesehen sind.
Sensor-Geber-System nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass längs des Bauteiles (1) wenigstens zwei Sensoreinheiten (2) angeordnet sind.
Sensor-Geber-System nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) so magnetisiert ist, dass eine Amplituden- und/oder Frequenzmodulation möglich ist.
Sensor-Geber-System nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) nach dem Nonius-Prinzip absolut kodiert ist.
Sensor-Geber-System nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der Signalhöhe die Pole (17) des Bauteiles (1) in y-Richtung gezielt unterschiedlich positionierbar sind.