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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Sensoranordnungen zur Weg- oder Winkelmessung bekannt.
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Die
US 7,990,136 B2 beschreibt eine Sensoranordnung mit Phasengebern auf Basis von Hall-Sensoren. Dabei kann der Drehwinkel kontinuierlich gemessen werden. Durch geeignete Gestaltung der Nocken könnte in diskreten Schritten auf die Winkellage geschlossen werden. Eine Eindeutigkeit des Drehwinkels ist jedoch nur für einen Teil des Umfangs gegeben, nämlich 120°. Eine Eindeutigkeit über einen vollständigen Umfang, d. h. 360°, kann durch Verwendung einer einzelnen Keilstruktur erreicht werden. Die vollen 360° sind auf diese Art und Weise nicht erreichbar, da es keine bekannte Lösung gibt, den Rücksprung der Keilstruktur von der vollständigen Höhe auf eine minimale Höhe zuverlässig zu erkennen. Da jeder bekannte Sensor über einen Teil des Umfangs integriert, kann die Flanke nicht von einem mittleren Niveau des Abstands unterschieden werden. Eine weitere Sensoranordnung sind die so genannten Wirbelstromsensoren. Eine Welle wird dazu mit einem Ring ausgestattet, welcher eine Erhebung aufweist. Die Erhebung weist in Umlaufrichtung eine variable Breite auf. Die Breite ist entsprechend der Sinusfunktion modelliert. Mittels zweier Wirbelstromsensoren, welche in einem Abstand von Pi/2 versetzt zueinander angeordnet sind, kann in Abhängigkeit von einem Drehwinkel ein Sinus- und Kosinussignal erzeugt werden. Durch Berechnung des Arcustangens kann auf den Winkel geschlossen werden. Zum Erzielen einer ausreichend hohen Auflösung ist es erforderlich, mehrere elektrische Perioden auf dem Wellenumfang zu platzieren. In der Konsequenz kann die volle Umdrehung der Welle mechanisch nicht eindeutig bestimmt werden.
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Ein weiterer Wirbelstromsensor ist in der
DE 10 2004 033 083 A1 beschrieben. Dabei ist über den Umfang eines Geberrads die Breite einer Sinusspur variiert. Der senkrecht dazu angeordnete Sensor arbeitet nach dem Prinzip der variablen Überdeckung.
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Offenbarung der Erfindung
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Trotz der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoranordnungen beinhalten diese noch Optimierungspotenzial. So ist bei dem zuletzt genannten Stand der Technik eine eindeutige Erkennung der Winkelstellung über den vollen Umfang, d. h. 360°, nicht möglich.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoranordnung zur Weg- und/oder Winkelmessung anzugeben, die eine Weg- und/oder Winkelmessung über einen vollständigen Umfang mit hoher Auflösung erlaubt.
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Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Weg- und/oder Winkelmessung umfasst einen ersten Geber mit einer ersten leitfähigen Spur und einen Sensor mit einer ersten Spule zur Erzeugung von Wirbelströmen in dem ersten Geber. Der Sensor und der erste Geber sind relativ zueinander in einer Bewegungsrichtung bewegbar. Die erste leitfähige Spur ist derart ausgebildet, dass eine komplexe Impedanz der ersten Spule bei einem Abtasten der ersten Spur in der Bewegungsrichtung veränderbar ist. Die Sensoranordnung umfasst weiterhin einen zweiten Geber mit einer zweiten leitfähigen Spur und eine zweite Spule zur Erzeugung von Wirbelströmen in dem zweiten Geber. Die zweite leitfähige Spur ist derart ausgebildet, dass eine komplexe Impedanz der zweiten Spule bei einem Abtasten der zweiten Spur in der Bewegungsrichtung veränderbar ist.
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Die Ausdrücke „erste“ und „zweite“ werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht zum Angeben einer bestimmten Reihenfolge oder Gewichtung verwendet, sondern lediglich um die jeweiligen Bauteile begrifflich unterscheiden zu können. Dies schließt entsprechend nicht aus, dass mehr als die genannten Bauteile vorhanden sein können.
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Die erste Spur und/oder der zweite Spur sind so ausgebildet, dass ihre dem Sensor gegenüberliegende wirksame Fläche in der Bewegungsrichtung veränderbar ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter der „wirksamen Fläche“ diejenige Fläche der leitfähigen Spur zu verstehen, die zur Erzeugung von Wirbelströmen und damit zur Erzeugung eines dem Feld der Spule entgegen gerichteten Feldes beiträgt.
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Die erste Spur und/oder die zweite Spur können so ausgebildet sein, dass ihre Geometrie, ihre Leitfähigkeit, ihre Dotierung oder ein Verhältnis von leitfähigen Bereichen zu nichtleitfähigen Bereichen in der Bewegungsrichtung veränderbar ist. Die erste Spur und/oder die zweite Spur können so ausgebildet sein, dass ihr Abstand zu dem Sensor in der Bewegungsrichtung veränderbar ist. Der Abstand kann kontinuierlich oder diskontinuierlich veränderbar sein. Die erste leitfähige Spur des erste Gebers und/oder die zweite leitfähige Spur des zweiten Gebers können eine in der Bewegungsrichtung veränderbare Breite aufweisen. Unter der „Breite“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung einer leitfähigen Spur des Gebers senkrecht zu der Bewegungsrichtung zu verstehen. Entsprechend kann sich die Breite bei einer Betrachtung in der Bewegungsrichtung verändern. Mit anderen Worten unterscheidet sich die Breite des Gebers an einer ersten Position in der Bewegungsrichtung von einer Breite des Gebers an einer zweiten Position in der Bewegungsrichtung.
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Die erste Spur und/oder die zweite Spur können so ausgebildet sein, dass eine komplexe Impedanz der ersten Spule und/oder der zweiten Spule bei einem Abtasten der ersten Spur und/oder der zweiten Spur in der Bewegungsrichtung periodisch veränderbar ist. Die erste Spur kann sich von der zweiten Spur unterscheiden. Der erste Geber und/oder der zweite Geber können eine Nabe aufweisen, wobei die Nabe eine Aussparung aufweist. Der Sensor kann eine dritte Spule zur Identifizierung der Aussparung aufweisen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 einen Geber gemäß einer ersten Ausführungsform,
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4 einen Geber gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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5 einen Geber gemäß einer dritten Ausführungsform,
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6 einen Geber gemäß einer vierten Ausführungsform,
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7 einen Geber gemäß einer fünften Ausführungsform,
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8 eine Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform,
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9 Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform und
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10 eine Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer fünften Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Seitenansicht einer Sensoranordnung 10 zur Weg- und/oder Winkelmessung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere im Kraftfahrzeugbereich einsetzbar. Insbesondere kann die Sensoranordnung 10 zur Drehwinkelmessung einer Welle 12 verwendet werden. Bei der Welle 12 kann es sich beispielsweise um eine Nockenwelle handeln. Die Welle 12 ist in einer Bewegungsrichtung 14 um ihre eigene Achse 16 bewegbar bzw. drehbar. Zur Erfassung des Wegs bzw. des Winkels und insbesondere der Drehwinkels umfasst die Sensoranordnung 10 einen Sensor 18. Der Sensor 18 weist eine Platine 20 auf. Wie aus der Darstellung der 1 erkennbar, ist die Platine 20 bei der ersten Ausführungsform radial bezüglich der Welle 12 bzw. senkrecht zu deren Achse 16 angeordnet bzw. orientiert. In einem der Welle 12 zugewandten Abschnitt 22 weist der Sensor 18 auf einer ersten Seite 24, die auch als Vorderseite bezeichnet werden kann, eine erste Spule 26 auf. Der Sensor 18 weist in dem der Welle 12 zugewandten Abschnitt 22 weiter auf einer zweiten Seite 28, die der ersten Seite 24 gegenüber liegt und daher auch als Rückseite bezeichnet werden kann, eine zweite Spule 30 auf.
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Die Sensoranordnung 10 umfasst weiterhin einen ersten Geber 32, der in Form eines ersten Geberrads 34 ausgebildet ist, und einen zweiten Geber 36, der in Form eines zweiten Geberrads 38 ausgebildet ist. Der erste Geber 32 und der zweite Geber 36 sind auf der Welle 12 angeordnet bzw. mit dieser verbunden. Dabei ist der erste Geber 32 der ersten Spule 26 und der zweite Geber 36 der zweiten Spule 30 zugewandt. Da die Platine 20 senkrecht zu der Achse 16 der Welle 12 orientiert ist, ist der erste Geber 32 parallel zu der ersten Spule 26 und der zweite Geber 36 parallel zu der zweiten Spule 30 angeordnet.
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Wie nachstehend noch ausführlicher beschrieben wird, weist der erste Geber 32 eine erste leitfähige Spur 40 auf. Der zweite Geber 36 weist eine zweite leitfähige Spur 42 auf. Die erste Spule 26 dient zur Erzeugung von Wirbelströmen in dem ersten Geber 32 und die zweite Spule 30 dient zur Erzeugung von Wirbelströmen in dem zweiten Geber 36. Wie nachstehend noch ausführlicher beschrieben wird, ist die erste leitfähige Spur 40 derart ausgebildet, dass eine komplexe Impedanz der ersten Spule 26 bei einem Abtasten der ersten Spur 40 in der Bewegungsrichtung 14 veränderbar ist. Wie nachstehend noch ausführlicher beschrieben wird, ist die zweite leitfähige Spur 42 derart ausgebildet, dass eine komplexe Impedanz der zweiten Spule 30 bei einem Abtasten der zweiten Spur 42 in der Bewegungsrichtung 14 veränderbar ist. Die erste leitfähige Spur 40 ist beispielsweise auf einem Außenumfang 44 des ersten Gebers 32 angeordnet, so dass sich die erste leitfähige Spur 40 um 360° um die Achse 16 der Welle 12 erstreckt. Die zweite leitfähige Spur 42 ist beispielsweise auf einem Außenumfang 46 des zweiten Gebers 36 angeordnet, so dass sich die zweite leitfähige Spur 42 um 360° um die Achse 16 der Welle 12 erstreckt.
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Durch eine Änderung der komplexen Impedanz der ersten Spule 26 oder der komplexen Impedanz der zweiten Spule 30 ändert sich ein Signal des Sensors 18. Die Änderung kann dabei eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Änderung sein. Die erste leitfähige Spur 40 und/oder die zweite leitfähige Spur 42 können zu diesem Zweck eine in der Bewegungsrichtung 14 variierende Leitfähigkeit, eine variierende wirksame Fläche, eine variierende Dotierung, ein variierendes Verhältnis an leitfähigen zu nicht-leitfähigen Bereichen, wie beispielsweise Lochspur oder Spur mit leitfähigen und nicht-leitfähigen Streifen, oder eine andere variierende Eigenschaft aufweisen, die eine Änderung der Wirbelströme und somit eine Änderung der komplexen Impedanz der ersten Spule 26 und der zweiten Spule 30 während des Abtastens bewirkt. Beispielsweise ist die wirksame Fläche der ersten leitfähigen Spur 40 und/oder der zweiten leitfähigen Spur 42 kontinuierlich zu- oder abnehmend gebildet. Durch die Veränderung der ersten leitfähigen Spur 40 bzw. der zweiten leitfähigen Spur 42 ändert sich auch das Gegenfeld kontinuierlich mit dem Weg. Somit kann die Messgröße in Form eines Wegs oder Winkel und insbesondere Drehwinkels der Welle 12 kontinuierlich bestimmt werden. Bei herkömmlichen Sensoren, wie sie oben beschrieben wurden, muss zur Erhöhung der Auflösung der Eindeutigkeitsbereich eingeschränkt werden. Genauer kann durch Verwendung einer periodischen Ausbildung der Spur bei den herkömmlichen Sensoren über dem Umfang des Geberrads die Auflösung zwar erhöht werden, der Eindeutigkeitsbereich wird jedoch entsprechend eingeschränkt. Zur gleichzeitigen Erhöhung der Auflösung und des Eindeutigkeitsbereichs schlägt die vorliegende Erfindung vor, die erste leitfähige Spur 40 und die zweite leitfähige Spur 42 unterschiedlich zu gestalten, so dass der Sensor 18 mittels der ersten Spule 26 und der zweiten Spule 30 unterschiedliche Signale erfasst, die eine eindeutige Stellung der ersten Gebers 32 und des zweiten Gebers 36 anzeigen. Nähere Details zu möglichen Ausbildungen der ersten leitfähigen Spur 40 und der zweiten leitfähigen Spur 42 werden nachstehend ausführlicher beschrieben.
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2 zeigt eine Sensoranordnung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Sensoranordnung 10 der zweiten Ausführungsform ist die Platine 20 parallel zu der Welle 12 angeordnet. Die erste Spule 26 und die zweite Spule 30 sind auf gemeinsam auf einer der Welle 12 zugewandten Seite 48 der Platine 20 angeordnet. Die erste Spule 26 und die zweite Spule 30 sind nebeneinander auf der Platine 20 angeordnet, so dass der erste Geber 32 der ersten Spule 26 und der zweite Geber 36 der zweiten Spule 30 zugewandt ist.
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3 zeigt eine erste Ausführungsform eines ersten Gebers 32 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die erste Ausführungsform des Gebers 32 wird lediglich beispielhaft als mögliche Ausführungsform des ersten Gebers 32 beschrieben und der zweite Geber 36 kann identisch ausgebildet sein. So ist die erste leitfähige Spur 40 so ausgebildet, dass der erste Geber 32 bzw. das erste Geberrad 34 eine keilförmige Kontur 50 einer Höhe 52 aufweist. Entsprechend ändert sich entlang der Umfangsrichtung des ersten Gebers 32 die Höhe 52 des ersten Gebers 32, d. h. eine Abmessung des ersten Gebers 32 in radialer Richtung von dem Außenumfang 44 zu einem Mittelpunkt 54 des ersten Gebers 32.
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Dadurch arbeitet der Sensor 18 gemäß der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform einer Sensoranordnung 10 in Verbindung mit dem Geber 32 der in 3 gezeigten ersten Ausführungsformen nach dem Prinzip der variablen Überdeckung der Spulen 26, 30. Die erste leitfähige Spur 40 ist so ausgebildet, dass ihre dem Sensor 18 gegenüberliegende wirksame Fläche bei einem Abtasten der ersten leitfähigen Spur 40 in der Bewegungsrichtung 14 veränderbar ist. Dabei ist die gegenüberliegende Anordnung bei einer Betrachtung in axialer Richtung bezüglich der Achse 16 zu sehen. Mit anderen Worten verändert sich die dem Sensor 18 bzw. der ersten Spule 26 gegenüberliegende wirksame Fläche der ersten leitfähigen Spur 40 in Abhängigkeit von der Drehstellung der ersten Gebers 32. So nimmt bei einer Drehung des Gebers 32 in der Bewegungsrichtung 14 die dem Sensor 18 bzw. der ersten Spule 26 gegenüberliegende wirksame Fläche der ersten leitfähigen Spur 40 ausgehend von einem Punkt angrenzend an die keilförmige Kontur 50 der Höhe 52 allmählich zu und wird bei weiterer Drehung an der keilförmigen Kontur 50 der Höhe 52 sprunghaft deutlich kleiner.
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Andererseits arbeitet der Sensor 18 gemäß der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform einer Sensoranordnung 10 in Verbindung mit dem Geber 32 der in 3 gezeigten ersten Ausführungsformen nach dem Prinzip des variablen Abstands zu den Spulen 26, 30. Durch eine Änderung der Höhe 52 der ersten leitfähigen Spur 40 des ersten Gebers 32 ändert sich bei einer Bewegung des ersten Gebers 32 in der Bewegungsrichtung 14 ein Abstand zu der ersten Spule 26 und somit das entsprechende Signal. So nimmt bei einer Drehung des Gebers 32 in der Bewegungsrichtung 14 der Abstand der dem Sensor 18 bzw. der ersten Spule 26 gegenüberliegenden wirksame Flächen der ersten leitfähigen Spur 40 ausgehend von einem Punkt angrenzend an die keilförmige Kontur 50 der Höhe 52 allmählich zu und wird bei weiterer Drehung an der keilförmigen Kontur 50 der Höhe 52 sprunghaft deutlich kleiner.
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4 zeigt ein Geberrad 32 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform des Gebers 32 wird lediglich beispielhaft als mögliche Ausführungsform des ersten Gebers 32 beschrieben und der zweite Geber 36 kann identisch ausgebildet sein. Der erste Geber 36 weist eine sinusförmige Kontur 56 der Höhe 52 auf. Dadurch ändert sich die erste leitfähige Spur 40 kontinuierlich und periodisch. Entsprechend ist die erste leitfähige Spur 40 so ausgebildet, dass eine komplexe Impedanz der ersten Spule 24 und/oder der zweiten Spule 28 bei einem Abtasten der ersten leitfähigen Spur 40 in der Bewegungsrichtung 14 periodisch veränderbar ist.
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Dadurch arbeitet der Sensor 18 gemäß der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform einer Sensoranordnung 10 in Verbindung mit dem Geber 32 der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsformen nach dem Prinzip der variablen Überdeckung der Spulen 26, 30. Die erste leitfähige Spur 40 ist so ausgebildet, dass ihre dem Sensor 18 gegenüberliegende wirksame Fläche bei einem Abtasten der ersten leitfähigen Spur 40 in der Bewegungsrichtung 14 kontinuierlich und periodisch veränderbar ist. Dabei ist die gegenüberliegende Anordnung bei einer Betrachtung in axialer Richtung bezüglich der Achse 16 zu sehen. Mit anderen Worten verändert sich die dem Sensor 18 bzw. der ersten Spule 26 gegenüberliegende wirksame Fläche der ersten leitfähigen Spur 40 in Abhängigkeit von der Drehstellung der ersten Gebers 32. So nimmt bei einer Drehung des Gebers 32 in der Bewegungsrichtung 14 die dem Sensor 18 bzw. der ersten Spule 26 gegenüberliegende wirksame Fläche der ersten leitfähigen Spur 40 kontinuierlich und periodisch zu und ab.
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Andererseits arbeitet der Sensor 18 gemäß der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform einer Sensoranordnung 10 in Verbindung mit dem Geber 32 der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsformen nach dem Prinzip des variablen Abstands zu den Spulen 26, 30. Durch eine Änderung der Höhe 52 des ersten Gebers 32 ändert sich bei einer Bewegung des ersten Gebers 32 in der Bewegungsrichtung 14 ein Abstand zu der ersten Spule 26 kontinuierlich und periodisch und somit das entsprechende Signal. So nimmt bei einer Drehung des Gebers 32 in der Bewegungsrichtung 14 der Abstand der dem Sensor 18 bzw. der ersten Spule 26 gegenüberliegenden wirksame Flächen der ersten leitfähigen Spur 40 kontinuierlich und periodisch zu und ab.
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5 zeigt ein Geberrad 32 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dritte Ausführungsform des Gebers 32 wird lediglich beispielhaft als mögliche Ausführungsform des ersten Gebers 32 beschrieben und der zweite Geber 36 kann identisch ausgebildet sein. Der erste Geber 32 weist eine keilförmige Kontur 58 einer Breite 60 auf. Entsprechend ändert sich entlang der Umfangsrichtung des ersten Gebers 32 die Breite 60 des ersten Gebers 32, d. h. eine Abmessung des ersten Gebers 32 in axialer Richtung des Außenumfangs 44 des ersten Gebers 32.
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Dadurch arbeitet der Sensor 18 gemäß der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform einer Sensoranordnung 10 in Verbindung mit dem Geber 32 der in 5 gezeigten dritten Ausführungsformen nach dem Prinzip des variablen Abstands zu den Spulen 26, 30. Durch eine Änderung der Breite 60 der ersten leitfähigen Spur 40 des ersten Gebers 32 ändert sich bei einer Bewegung des ersten Gebers 32 in der Bewegungsrichtung 14 ein Abstand zu der ersten Spule 26 und somit das entsprechende Signal. So nimmt bei einer Drehung des Gebers 32 in der Bewegungsrichtung 14 der Abstand der dem Sensor 18 bzw. der ersten Spule 26 gegenüberliegenden wirksame Flächen der ersten leitfähigen Spur 40 ausgehend von einem Punkt angrenzend an die keilförmige Kontur 58 der Breite 60 allmählich zu und wird bei weiterer Drehung an der keilförmigen Kontur 58 der Breite 60 sprunghaft deutlich kleiner.
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Andererseits arbeitet der Sensor 18 gemäß der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform einer Sensoranordnung 10 in Verbindung mit dem Geber 32 der in 5 gezeigten dritten Ausführungsformen nach dem Prinzip der variablen Überdeckung der Spulen 26, 30. Die erste leitfähige Spur 40 ist so ausgebildet, dass ihre dem Sensor 18 gegenüberliegende wirksame Fläche bei einem Abtasten der ersten leitfähigen Spur 40 in der Bewegungsrichtung 14 veränderbar ist. Dabei ist die gegenüberliegende Anordnung bei einer Betrachtung in axialer Richtung bezüglich der Achse 16 zu sehen. Mit anderen Worten verändert sich die dem Sensor 18 bzw. der ersten Spule 26 gegenüberliegende wirksame Fläche der ersten leitfähigen Spur 40 in Abhängigkeit von der Drehstellung der ersten Gebers 32. So nimmt bei einer Drehung des Gebers 32 in der Bewegungsrichtung 14 die dem Sensor 18 bzw. der ersten Spule 26 gegenüberliegende wirksame Fläche der ersten leitfähigen Spur 40 ausgehend von einem Punkt angrenzend an die keilförmige Kontur 58 der Breite 60 allmählich zu und wird bei weiterer Drehung an der keilförmigen Kontur 58 der Breite 60 sprunghaft deutlich kleiner.
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6 zeigt ein Geberrad 32 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die vierte Ausführungsform des Gebers 32 wird lediglich beispielhaft als mögliche Ausführungsform des ersten Gebers 32 beschrieben und der zweite Geber 36 kann identisch ausgebildet sein. Der erste Geber 32 weist eine sinusförmige Kontur 62 der Breite 60 auf. Dadurch ändert sich die erste leitfähige Spur 40 kontinuierlich und periodisch.
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Dadurch arbeitet der Sensor 18 gemäß der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform einer Sensoranordnung 10 in Verbindung mit dem Geber 32 der in 6 gezeigten vierten Ausführungsformen nach dem Prinzip des variablen Abstands zu den Spulen 26, 30. Durch eine kontinuierliche und periodische Änderung der Breite 60 der ersten leitfähigen Spur 40 des ersten Gebers 32 ändert sich bei einer Bewegung des ersten Gebers 32 in der Bewegungsrichtung 14 ein Abstand zu der ersten Spule 26 kontinuierlich und periodisch und somit das entsprechende Signal. So nimmt bei einer Drehung des Gebers 32 in der Bewegungsrichtung 14 der Abstand der dem Sensor 18 bzw. der ersten Spule 26 gegenüberliegenden wirksame Flächen der ersten leitfähigen Spur 40 kontinuierlich und periodisch zu und ab.
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Andererseits arbeitet der Sensor 18 gemäß der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform einer Sensoranordnung 10 in Verbindung mit dem Geber 32 der in 6 gezeigten vierten Ausführungsformen nach dem Prinzip der variablen Überdeckung der Spulen 26, 30. Die erste leitfähige Spur 40 ist so ausgebildet, dass ihre dem Sensor 18 gegenüberliegende wirksame Fläche bei einem Abtasten der ersten leitfähigen Spur 40 in der Bewegungsrichtung 14 veränderbar ist. Dabei ist die gegenüberliegende Anordnung bei einer Betrachtung in axialer Richtung bezüglich der Achse 16 zu sehen. Mit anderen Worten verändert sich die dem Sensor 18 bzw. der ersten Spule 26 gegenüberliegende wirksame Fläche der ersten leitfähigen Spur 40 in Abhängigkeit von der Drehstellung der ersten Gebers 32. So nimmt bei einer Drehung des Gebers 32 in der Bewegungsrichtung 14 die dem Sensor 18 bzw. der ersten Spule 26 gegenüberliegende wirksame Fläche der ersten leitfähigen Spur 40 kontinuierlich zu und ab.
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7 zeigt ein Geberrad 32 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die fünfte Ausführungsform des Gebers 32 wird lediglich beispielhaft als mögliche Ausführungsform des ersten Gebers 32 beschrieben und der zweite Geber 36 kann identisch ausgebildet sein. Die fünfte Ausführungsform eines Gebers 32 basiert auf der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform eines Gebers 32. Nachstehend werden daher lediglich die Unterschiede zu der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform eines Gebers 32 beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem ersten Geber 32 der fünften Ausführungsform ist eine Nabe 64 vorgesehen. Die Nabe 64 weist eine Aussparung 66 auf. Die Aussparung 66 ist beispielsweise als Schlitzung in einem bestimmten radialen Bereich ausgebildet. Dieser Bereich entspricht der Breite einer bei der Sensoranordnung 10 vorzusehenden dritten Spule 68, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
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8 zeigt eine Sensoranordnung 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterscheide zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. So weist die Sensoranordnung 10 der dritten Ausführungsform die dritte Spule 68 auf. Die dritte Spule 68 ist an einer der Welle 12 zugewandten Stirnseite 70 angeordnet. Die Aussparung 66 entspricht mit ihren Abmessungen dabei der Breite der dritten Spule 68. Die dritte Spule 68 dient zur Identifizierung der Aussparung 66. Abhängig von der periodischen Ausbildung der Aussparung 66 ist ein unterschiedlicher Anteil dieses Bereichs perforiert oder abgesenkt. Eine mögliche Perforation ist entsprechend so zu gestalten, dass die mechanische Integrität erhalten bleibt. Dies kann durch nicht näher gezeigte Stützstege erfolgen. Ebenso kann die Unterscheidung der periodischen Ausbildung der Aussparung 66 durch Variation des Durchmessers oder des Abstands von Durchgangsbohrungen erreicht werden. Da im Fall der Periodenerkennung kein Unterschied zwischen der ersten leitfähigen Spur 40 des ersten Gebers 32 und der zweiten leitfähigen Spur 42 des zweiten Gebers 36 erforderlich ist, kann die dritte Spule 68 als Einzelspule ausgeführt sein, d. h. als eine Reihenschaltung der Wicklung auf der Oberseite oder der Unterseite der Platine 20.
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9 eine Sensoranordnung 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterscheide zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. 9 zeigt die Verwendung unterschiedlicher Geberräder. Bezogen auf die Darstellung der 9 ist in der linken Bildhälfte der erste Geber 32 mit einer keilförmigen Kontur 58 der Breite 60 vorgesehen. In der rechten Bildhälfte ist der zweite Geber 36 mit einer Stufenkontur 72 der Breite 60 vorgesehen.
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10 eine Sensoranordnung 10 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterscheide zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. 10 zeigt eine Modifikation der Sensoranordnung 10 gemäß der zweiten Ausführungsform zur Erkennung von periodisch ausgebildeten leitfähigen Spuren. Dabei ist ebenfalls eine dritte Spule 68 vorgesehen. Dabei ist zu erkennen, dass die dritte Spule 68 auf der gleichen Seite wie die erste Spule 26 und die zweite Spule 30 angeordnet ist.
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10 stellt eine Erweiterung zu den in 1 und 2 dargestellten Sensoranordnungen 10 dar. So weisen die in 1 und 2 dargestellten sensoranordnungen 10 zwei Geber 32, 36 in Form von Geberrädern 34, 38 mit insgesamt zwei leitfähigen Spuren 40, 42 auf. Um einen Drehwinkel der Welle 12 eindeutig messen zu können, ist es erforderlich, dass die zwei leitfähigen Spuren 40, 42 in Verbindung mit den Spulen 28, 30 ein Sinus/Kosinus-Signal liefern, was durch eine periodische Gestaltung der zwei leitfähigen Spuren 40, 42 realisierbar ist. Falls die periodische Gestaltung der zwei leitfähigen Spuren 40, 42 360°beträgt und sich somit einmal über den vollständigen Umfang der Geberräder 34, 38 erstreckt, beträgt der Eindeutigkeitsbereich 360°.
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Um die Auflösung zu erhöhen, kann die periodische Gestaltung der zwei leitfähigen Spuren 40, 42 beispielsweise 90° betragen. In diesem Fall würde die Eindeutigkeit aber nur 90° betragen. Um den Messbereich wieder auf 360° zu erhöhen, ist die dritte Spule 68 erforderlich. Die dritte Spule 68 kann in Verbindung mit einem dritten Geber 74 stehen. Der dritte Geber 74 ist beispielsweise als Geberrad 76 ausgebildet, das auf der Welle 12 angeordnet bzw. mit dieser verbunden ist. Der dritte Gebr 74 weist eine dritte leitfähige Spur 78 auf. Die dritte Spule 68 dient zur Erzeugung von Wirbelströmen in dem dritten Geber 74. Die dritte leitfähige Spur 78 ist derart ausgebildet, dass eine komplexe Impedanz der dritten Spule 68 bei einem Abtasten der dritten Spur 78 in der Bewegungsrichtung 14 veränderbar ist.
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Alternativ zu der dritten Spule 68 könnten die Geberräder auch unterschiedliche Perioden aufweisen. Wenn die erste leitfähige Spur 40 eine periodische Gestaltung von 40° und die zweite leitfähige Spur 42 eine periodische Gestaltung von 72°, aufweist kann mittels eines Vernier- oder Nonius-Algorithmus auf 360° extrapoliert werden. Die Auflösung wäre dadurch ebenso erhöht.
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Die in 10 dargestellte Variante mit drei Spuren 40, 42, 78 bzw. drei Spulen 26, 28, 68 ist jedoch flexibler, da die Feinperioden freier gewählt werden können. Bei der in 8 dargestellten Sensoranordnung 10 kann die dritte leitfähige Spur 78 in den beiden Geberrädern 34, 38 integriert werden. Bei der in 10 dargestellten Sensoranordnung 10 ist das Vorsehen der dritten Spur 78 als separates Bauteil erforderlich.
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Alle beschriebenen Ausführungsformen der Sensoranordnungen 10 arbeiten im Wesentlichen nach dem nachstehend beschriebenen Prinzip. Die zwei Spulen 26, 30 werden jeweils von einem transienten oder wechselförmigen Hochfrequenz-Strom durchflossen, dessen Frequenz z.B. in einem Bereich zwischen 500 kHz und 100 MHz liegt. Dadurch wird in der näheren Umgebung der Spulen 26, 30 ein ebenso hochfrequentes magnetisches Feld erzeugt, das wiederum in der ersten leitfähigen Spur 40 des ersten Gebers 32 und in der zweiten leitfähigen Spur 42 des zweiten Gebers 36 Wirbelströme induziert. Die Wirbelströme erzeugen ihrerseits wiederum ein dem Magnetfeld der Spulen 26, 30 entgegengesetztes Magnetfeld.
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Je nach Größe der den Spulen 26, 30 gegenüberliegenden leitfähigen Fläche bzw. des Abstands dieser Flächen zu den Spule 26, 30 sind die induzierten Wirbelströme unterschiedlich groß. Somit ist auch das Gegenfeld unterschiedlich stark. Dabei gilt grundsätzlich der Zusammenhang, dass das Gegenfeld bei kleiner wirksamer Fläche bzw. großem Abstand klein und bei großer wirksamer Fläche bzw. kleinem oder geringen Abstand groß ist.
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Durch das entgegengesetzte Magnetfeld verändern sich die Ersatzinduktivitäten bzw. komplexen Impedanzen der Spulen 26, 30 bezüglich ihrer Anschlussklemmen. Steht einer Spule 26, 30 z.B. eine kleine wirksame Fläche gegenüber bzw. ist der Abstand groß, so hat diese Spule 26, 30 eine große Ersatzinduktivität und somit eine betragsmäßig große komplexe Impedanz. Steht der Spule hingegen eine große Fläche gegenüber bzw. ist der Abstand klein oder gering, so weist diese Spule 26, 30 eine kleine Ersatzinduktivität und somit eine betragsmäßig kleine komplexe Impedanz auf. Die lnduktivitätsänderung kann durch eine nicht näher gezeigte Auswerteeinheit des Sensors 18 erfasst werden, die beispielsweise die Resonanzfrequenz eines LC-Schwingkreises, bestehend aus jeweils einer Spule 26, 30 und einer (parasitären) Kapazität ermittelt und daraus die Messgröße in Form eines Weg oder Winkels und insbesondere Drehwinkels der Welle 12 bestimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7990136 B2 [0002]
- DE 102004033083 A1 [0003]
