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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
2.
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Berührungslose
Messverfahren und Messvorrichtungen sind grundsätzlich
bekannt. Die dabei eingesetzten Sensoren arbeiten im allgemeinen
auf der Basis magnetischer oder induktiver Funktionsprinzipien,
d. h. sie messen beispielsweise die Veränderung einer Magnetfeldstärke
oder einer Induktivität, die durch eine Bewegung eines
Bauteils gegenüber dem ortsfest angeordneten Sensor auftritt.
Die von dem Sensor erfasste Bewegung des Magneten wird in einer
Auswerteeinheit ausgewertet und in ein Bewegungssignal oder eine
Bewegungsanzeige umgewandelt.
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Derartige
Messverfahren und Messvorrichtungen sind für die Erfassung
von absoluten Verschiebungen oder Verdrehungen gegenüber
einer festen Struktur durchaus geeignet. Weniger geeignet sind sie,
wenn es sich um die Erfassung einer relativen Verstellung (Differenzweg)
eines ersten Bauteils gegenüber einem zweiten Bauteil handelt,
die ihrerseits eine Absolutbewegung gegenüber einer festen Struktur
ausführen. Diese technische Aufgabe ergibt sich beispielsweise
bei automatisierten Kfz-Schaltgetrieben, bei denen für
eine genaue Steuerung der Kupplungsfunktion und der Schaltfunktion
die Erfassung einer relativen Verschiebung von Schaltstangen oder
einer relativen Verdrehung von Getriebewellen von Bedeutung ist.
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Aus
der
DE 197 26 696
A1 ist ein Drehwinkelsensor bekannt, bei welchem die Änderung
eines Magnetfeldes bei Verdrehung eines ersten Bauteils gegenüber
einem zweiten mit Hilfe eines Hall-Sensors erfasst und in eine Drehwinkelangabe
umgewandelt wird. Wie sich aus dem Kontext der Zeichnungen und der
Beschreibung ergibt, handelt es sich darum, die Verdrehung eines
Permanentmagneten gegenüber einem ortsfesten Joch zu erfassen,
wobei durch eine asymmetrische Magnetisierung des Permanentmagneten
ein Messbereich erfasst werden soll, der größer
als 180° ist. Diese Druckschrift beschreibt die grundsätzliche
Funktionsweise der berührungslosen Messung der Verstellung
eines Bauteils gegenüber einem anderen, spricht jedoch
das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem der Messung
einer relativen Verstellung zwischen zwei bewegten Bauteilen nicht
an.
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Ein
Differenzweg zwischen zwei bewegten Bauteilen kann bisher nur mit
folgenden Anordnungen ermittelt werden:
- a)
Erfassung der absoluten Positionen des ersten Bauteils und des zweiten
Bauteils sowie Berechnung der Differenz beider Werte, oder
- b) Anordnung eines Geberelementes an einem der Bauteile und
des Sensors auf dem jeweils anderen Bauteil.
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Beide
Verfahren bzw. Anordnungen sind jedoch mit Nachteilen behaftet,
wie im Folgenden dargelegt wird.
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Im
Fall der Lösung a) wird die Systemgenauigkeit abnehmen,
da das Ergebnis aus der Messung zweier Absolutwegsensoren abgeleitet
wird, deren Messbereich den im allgemeinen großen Messweg der
beiden bewegten Bauteile abdecken muss. Dabei ist die erzielbare
Genauigkeit geringer als für den Fall, dass ein Sensor
nur den relativ kleinen Messbereich der Relativverstellung mit einer
entsprechend größeren Auflösung erfassen
muss.
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Die
Lösung b) vermeidet zwar diesen Nachteil der Lösung
a), da der an einem der Bauteile angeordnete Sensor nur den kleineren,
auf die Relativverstellung abgestimmten Messbereich erfassen muss.
Nachteilig ist jedoch, dass die Sensorsignale von einem bewegten
Bauteil in die ortsfeste Struktur übertragen werden müssen,
was entweder eine Mitführung elektrischer Anschlussleitungen
während der Bewegung der Bauteile oder das Vorsehen von Schleifkontakten
erforderlich macht, welches bei einer hohen Häufigkeit
der Bewegungen zu Problemen bei der technischen Zuverlässigkeit
derartiger Anordnungen (z. B. Leitungsbrüche) führen
kann.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
einfaches und zuverlässiges Verfahren sowie eine Einrichtung
zum berührungslosen Messen einer relativen Verstellung
(Differenzweg) eines ersten Bauteils gegenüber einem zweiten
Bauteil zu schaffen, die sich gegenüber einer ortsfesten
Struktur – im allgemeinen in der gleichen Bewegungsrichtung – bewegen.
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Die
Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des
unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie des unabhängigen
Vorrichtungsanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Vorrichtung gemäß der
Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich auch die Relativbewegung
der beiden Bauteile zueinander nutzen lassen müsste, um
die Stärke eines von einem ortsfesten Sensor erfassbaren
Magnetfeldes zu ändern.
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Demnach
geht die Erfindung aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung
zum berührungslosen Messen einer relativen Verstellung
(Differenzweg) eines ersten Bauteils gegenüber einem zweiten Bauteil,
die sich gegenüber einer ortsfesten Struktur bewegen.
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Zur
Lösung der gestellten Aufgabe ist einerseits ein Verfahren
vorgesehen, bei welchem an den Bauteilen in Abhängigkeit
vom jeweiligen Differenzweg unterschiedlich sich überlappende
Geberelemente vorgesehen sind, die von einem äußeren
Magnetfeld durchsetzt werden, dessen Feldstärke sich in Abhängigkeit
von der Überlappung dieser Geberelemente ändert,
wobei die jeweilige Magnetfeldstärke von einem den Geberelementen
zugeordneten ortsfesten Sensorelement erfasst und in einer Auswerteeinrichtung
ausgewertet wird.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich,
die relative Verstellung der beiden Bauteile mit einem ortsfesten
Sensor zu erfassen, so dass mitgeführte Kabel oder schleifende
Kontakte nicht erforderlich sind. Dabei kann der Sensor auf den
kleineren Messbereich der Relativbewegung optimiert werden und er
muss nicht den gesamten Messbereich der bewegten Bauteile erfassen,
was eine höhere Auflösung und damit eine größere
Genauigkeit der Messung ermöglicht.
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Es
sei an dieser Stelle bemerkt, dass der Begriff "Geberelemente" für
beliebige, an den bewegbaren Bauteilen angeordnete und zusammenwirkende Elemente
steht, welche in der Lage sind, das Magnetfeld in Abhängigkeit
von der relativen Stellung der Bauteile zueinander zu beeinflussen
und damit ein von einem Sensor erfassbares Maß für
den Differenzweg zu liefern. Die Begriffe "sich überlappend" bzw.
"Überlappung" sind hier im allgemeinsten Sinn zu verstehen,
d. h. es geht um eine gegenseitige Stellung der Geberelemente, die
einen messbaren Einfluss auf die Magnetfeldstärke hat.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung
des oben beschriebenen Verfahrens ist gemäß der
vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass an jedem der
beiden bewegbaren Bauteile ein Geberelement angeordnet ist, wobei sich
diese in Abhängigkeit vom jeweiligen Differenzweg unterschiedlich überlappen,
dass die Geberelemente eine Struktur haben, die bei unterschiedlicher relativer Überlappung
unterschiedliche magnetische Durchgangswiderstände erzeugt,
dass die Geberelemente in ein diese durchsetzendes Magnetfeld hineinragen,
und dass Mittel zum Erfassen der in Abhängigkeit von der Überlappung
der Geberelemente veränderlichen Magnetfeldstärke
und zum Auswerten der erfassten Werte vorgesehen sind.
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Die
Geberelemente können beispielsweise aus einem Material
bestehen, welches für den Magnetfluss einen Widerstand
darstellt, der sich je nach dem Grad der Überlappung der
Geberelemente verändert, wie nachstehend noch näher
erläutert wird.
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Zum
Messen einer relativen Verschiebung zweier linear bewegter Bauteile
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Geberelemente
als im wesentlichen parallel zueinander und zu der Bewegungsebene
der Bauteile angeordnete Stangen oder Seile oder Bänder
oder dergleichen ausgebildet sind, welche die vorne beschriebenen
physikalischen Eigenschaften zum Verändern der Magnetfeldstärke
haben. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
sind die Geberelemente im wesentlichen als Stangen oder Seile oder
Bänder oder dergleichen mit einer Reihe von in Bewegungsrichtung
regelmäßig aufeinander folgenden Durchbrechungen
ausgebildet, wobei der relative Messweg der Geberelemente durch
eine erste Endstellung, bei der die Durchbrechungen beider Geberelemente
sich nicht überlappen, und durch eine zweite Endstellung,
bei der sich die Durchbrechungen vollständig überlappen,
definiert ist. Bei der ersten Endstellung bilden die beiden Geberelemente
in Kombination quasi eine geschlossene Wand, die für den
Magnetfluss einen verhältnismäßig großen
Widerstand bildet, so dass die vom Sensor erfasste Magnetstärke
schwach ist. Bei der zweiten Endstellung erlauben die sich überlappenden
oder überdeckenden Durchbrechungen einen Durchtritt des
Magnetfeldes, so dass vom Sensor ein starkes Magnetfeld gemessen
wird.
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Ein
konstruktive Ausgestaltung der Geberelemente sieht vor, dass die
Stangen oder Seile oder Bänder oder dergleichen in Längsrichtung
eine Randzahnung mit regelmäßig aufeinander folgenden Zähnen
und Lücken aufweisen, wobei die Stangen oder Seile oder
Bänder oder dergleichen sich bei der relati ven Verstellung
dieser Bauteile zwischen einer ersten Endstellung, bei der die Zähne
der beiden Bauteile "auf Lücke" stehen und damit in Kombination
quasi eine geschlossene Wand bilden, und einer zweiten Endstellung,
bei der sich die Zähne und Lücken der beiden Stangen
oder Seile oder Bänder oder dergleichen jeweils überdecken
und damit einen Durchtritt für das Magnetfeld erlauben,
verstellbar sind.
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Zum
Messen einer relativen Verdrehung zweier um eine gemeinsame Längsachse
drehender Bauteile, beispielsweise zweier Wellen, ist gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Geberelemente als
zueinander koaxiale Differenzwinkelmessräder ausgebildet
sind, welche das Magnetfeld in Abhängigkeit vom relativen
Verdrehwinkel verändern. In einer konstruktiven Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, dass die Geberelemente als Scheiben
mit im Randbereich regelmäßig aufeinander folgenden
Durchbrechungen ausgebildet sind, wobei der relative Messweg der
Geberelemente durch eine erste Endstellung, bei der die Durchbrechungen
beider Geberelemente sich nicht überlappen, und eine zweite
Endstellung, bei der sich die Durchbrechungen vollständig überlappen,
definiert ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weisen
die Scheiben eine Randzahnung mit regelmäßig aufeinander
folgenden Zähnen und Lücken auf.
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Der
erwähnte Magnetkreis umfasst gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung eine die Geberelemente zangenartig umgreifende
magnetische Brücke und ein in einer Unterbrechung dieser
Brücke angeordnetes Sensorelement zum Erfassen der in dieser herrschenden
Magnetfeldstärke. Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung
ergibt, ist die von dem Sensorelement erfassbare Magnetstärke
in der magnetischen Brücke abhängig von der relativen
Stellung der Geberelemente.
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Die
magnetische Brücke besteht aus einem geeigneten ferromagnetischen
Material, wobei an wenigstens einem der die Geberelemente umgreifen den
Enden ein Magnet, vorzugsweise ein Permanentmagnet angeordnet ist,
welcher das Magnetfeld erzeugt.
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Als
Sensorelement kommt beispielsweise ein Hall-Element, ein magnetoresistiver
Sensor, eine Spule mit Eisenkern oder dergleichen zum Einsatz.
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Die
Erfindung lässt sich anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
weiter erläutern. Dazu ist der Beschreibung eine Zeichnung
beigefügt. In dieser zeigt
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1 schematisch
in einem Längsschnitt eine Messvorrichtung für
zwei relativ zueinander verdrehbare Wellen;
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2 schematisch
in einem Querschnitt eine Messvorrichtung für zwei relativ
zueinander verschiebbare Bauteile; und
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3 ein
Diagramm, welches die Magnetflussdichte in Abhängigkeit
von einer relativen Verstellung der Geberelemente darstellt.
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1 zeigt
eine erste Welle 2 sowie eine zweite Welle 4,
die beide in einer nicht dargestellten ortsfesten Struktur um die
gemeinsame Drehachse 6 drehbar gelagert sind, und die im
Betrieb in der gleichen Drehrichtung aber mit unterschiedlicher
Drehzahl rotieren. Um eine relative Verdrehung der beiden Wellen 2 bzw. 4 zueinander
zu ermitteln, sind an den einander zugewandten Enden dieser Wellen
als Geberelemente 8 bzw. 10 fungierende Scheiben 12 bzw. 14 angeordnet,
deren relative Verdrehung zueinander auf eine weiter unten zu beschreibende
Weise erfasst und in einer nicht dargestellten Auswerteeinheit ausgewertet
werden kann.
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Den
Geberelementen 8, 10 ist eine Magnetkreisanordnung 16 zugeordnet,
die ein den radial äußeren Rand der Scheiben 12, 14 durchsetzendes Magnetfeld
erzeugt. Die Magnetfeldanordnung 16 umfasst eine den Rand
der Geberelemente zangenartig umgreifende magnetische Brücke 18 aus
einem ferromagnetischen Material, an deren die Geberelemente 8, 10 umgreifenden Enden 20 bzw. 22 jeweils ein
Magnet 24 bzw. 26 angeordnet ist. Die Magnete 24, 26 sind
vorzugsweise Permanentmagnete mit gleicher magnetischer Ausrichtung.
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In
einer Lücke 28 der magnetischen Brücke 18 ist
ein Sensorelement 30 angeordnet, welches die Magnetstärke
bzw. den Magnetfluss in der Magnetkreisanordnung 16 erfasst.
Das Sensorelement ist mit einer nicht dargestellten elektronische
Auswerteeinheit verbunden, die aus den Informationen des Sensorelementes
einen Verdrehwinkel oder eine Differenzdrehzahl ermittelt, wie noch
beschrieben wird.
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Die
Geberelemente 8 und 10 haben jeweils eine Struktur,
die bei unterschiedlicher relativer Verdrehung dieser Geberelemente
unterschiedliche Durchgangswiderstände für das
diese durchsetzende, von der Magnetkreisanordnung 16 erzeugte
Magnetfeld bilden. Das Sensorelement 30 erfasst demnach über
die veränderliche Magnetfeldstärke den veränderlichen
relativen Drehwinkel der beiden Geberelemente 8, 10.
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Die
in der 1 dargestellten Geberelemente 8, 10 sind
als Scheiben 12, 14 ausgebildet, die in ihrem
Randbereich regelmäßig aufeinander folgende Durchbrechungen
aufweisen, die sich je nach dem relativen Verdrehwinkel mehr oder
weniger weit überlappen und so den Durchgangswiderstand
für das Magnetfeld verändern.
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Bevor
eine mögliche Struktur der Geberelemente beschrieben wird,
soll anhand der 2 eine Vorrichtung erläutert
werden, mit der eine lineare relative Verstellung zweier linear
bewegter Bauteile gemessen werden kann. Wie ein Vergleich der 1 und 2 zeigt,
unterscheiden sich die darin gezeigten Vorrichtungen nur im Aufbau
der Geberelemente. Die in der 2 dargestellten
Geberelemente 32 bzw. 34 sind als im wesentlichen
parallel zueinander angeordnete flache, rechteckige Stangen 36 bzw. 38 oder
dergleichen ausgebildet, die parallel zueinander und zu der senkrecht
auf der Zeichenebene stehenden Bewegungsebene der nicht dargestellten
Bauteile angeordnet sind. Die Geberelemente 32, 34 haben wiederum
eine Struktur, die bei unterschiedlicher relativer Verschiebung
unterschiedliche magnetische Durchgangswiderstände für
das in der Magnetkreisanordnung 40 erzeugte, die Geberelemente 32, 34 durchsetzende
Magnetfeld bilden. Die Magnetkreisanordnung 40 ist gleich
aufgebaut wie die Magnetkreisanordnung 16 der 1,
so dass sie nicht nochmals im Einzelnen beschrieben werden muss.
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3 zeigt
beispielhaft eine mögliche Struktur der Geberelemente 32, 34 der 2.
Die die Geberelemente bildenden Stangen 36 und 38 sind
jeweils in ihrem oberen, in das Magnetfeld der Magnetkreisanordnung 40 ragenden
Randbereich mit einer Randzahnung mit regelmäßig
aufeinander folgenden Zähnen 36' bzw. 38' und
Lücken 36'' bzw. 38'' versehen. Die Lücken 36'' und 38'' stellen
ganz allgemein Durchbrechungen dar, die auch eine beliebige andere
Form, beispielsweise die Form eines Fensters haben könnten.
Der relative Messweg der Anordnung ist so ausgelegt, dass dieser
durch eine erste, in 3 rechts dargestellte Endstellung,
bei der die Durchbrechungen bzw. Lücken 36'', 38'' sich
nicht überlappen, und durch eine zweite, in 3 oben dargestellte
Endstellung, bei der sich diese Durchbrechungen bzw. Lücken 36'', 38'' vollständig überlappen,
definiert.
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Wie
das in 3 dargestellte Diagramm erkennen lässt,
entspricht die in 3 rechts dargestellte Endstellung
einem Zustand, bei der die in der Magnetkreisanordnung 40 bestehende
Magnetfeldstärke B ihren geringsten Wert hat, während
die in 3 oben dargestellte zweite Endstellung dem Zustand
entspricht, bei der die Magnetfeldstärke B ihren maximalen
Wert hat. Auf diese Weise ist jeder Verschiebestellung der beiden
Schienen 36, 38 relativ zueinander eine bestimmte
Magnetfeldstärke B zugeordnet, die in einer Auswerteeinheit
in einen Verstellweg a umgerechnet werden kann. Da die Geberelemente 32, 34 sich über
den gesamten absoluten Verschiebeweg der Bauteile erstre cken, ist
die jeweilige Magnetfeldstärke über diesen ganzen
Weg messbar. Das Sensorelement 30 ist jedoch auf den kleinen
Messbereich zwischen den beiden relativen Endstellungen der Geberelemente
abgestimmt, so dass es eine hohe Auflösung bzw. Messgenauigkeit hat.
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In ähnlicher
Weise wie bei der 2 können die in 1 dargestellten
Scheiben 12, 14 in ihrem Randbereich mit regelmäßig
aufeinander folgenden Durchbrechungen bzw. mit einer Randzahnung
ausgebildet sein, die es erlaubt, den relativen Verdrehwinkel der
beiden Wellen 2, 4 zueinander zu messen, wie nicht
im einzelnen nochmals beschrieben werden muss.
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- 2
- Erste
Welle
- 4
- Zweite
Welle
- 6
- Drehachse
- 8
- Geberelement
- 10
- Geberelement
- 12
- Scheiben
- 14
- Scheiben
- 16
- Magnetkreisanordnung
- 18
- Magnetische
Brücke
- 20
- Ende
der magnetische Brücke
- 22
- Ende
der magnetische Brücke
- 24
- Magnet
- 26
- Magnet
- 28
- Durchbrechung,
Lücke
- 30
- Sensorelement
- 32
- Geberelement
- 34
- Geberelement
- 36
- Stange
- 36'
- Zähne
- 36''
- Durchbrechung,
Lücke
- 38
- Stange
- 38'
- Zähne
- 36''
- Durchbrechung,
Lücke
- 40
- Magnetkreisanordnung
- a
- Verstellweg
- B
- Magnetfeldstärke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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