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DE102005007731A1 - Position sensor device, periodically biases soft magnetic structure into nonlinear saturation region and detects dip in induced voltage - Google Patents

Position sensor device, periodically biases soft magnetic structure into nonlinear saturation region and detects dip in induced voltage Download PDF

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DE102005007731A1
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circuit board
position sensor
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sensor arrangement
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German (de)
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Thomas Dr. Rer. Nat. Reininger
Albert Dr.-Ing. Kießling
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Festo SE and Co KG
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Abstract

The position sensor has a soft magnetic structure (12) applied to an elongate circuit board (10), and a electrically conductive structure forming an excitation coil device (14). A number of planar sensor coils (15) are arranged along the circuit board. A permanent magnet is movable along the circuit board and its relative position is detected. The excitation coil device periodically biases the soft magnetic structure so that it reaches the non-linear saturation region. A device then detects the dip in the induced voltage of the respective planar sensor coil.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionssensoranordnung mit Sensor-Planarspulen, die mit einer weichmagnetischen Struktur zusammenwirken, die positionsabhängig durch einen bewegbaren Permanentmagneten in sättigungsnahe, unlineare Bereiche gelangt, was durch eine an der betreffenden Position angeordnete Sensor-Planarspule erfasst werden kann. Eine derartige Positionssensoranordnung ist aus der DE 20009335 U1 bekannt. Bei der bekannten Anordnung wird die Sensor-Planarspule in einen Schwingkreis eingebettet, wobei die Veränderung der Schwingungsfrequenz bei Annäherung des Permanentmagneten zur Positionserfassung ausgewertet wird. Will man die Position über eine längere Bewegungsbahn des Permanentmagneten erfassen, so wären eine Vielzahl von Schwingkreisen und entsprechende Frequenzauswertungsstufen erforderlich. Dies wäre zu kompliziert und teuer, um eine Positionserfassung über eine längere Strecke zu realisieren. Darüber hinaus muss der Permanentmagnet mit einem relativ starken Magnetfeld auf das weichmagnetische Material einwirken, um es in die Sättigung zu bringen, sodass die Entfernung zwischen der Bahn des Per manentmagneten und der Sensor-Planarspule nicht zu groß sein darf, um die gewünschte Wirkung zu erzielen.The invention relates to a position sensor arrangement with sensor planar coils, which interact with a soft magnetic structure, the position-dependent passes through a movable permanent magnet in saturation, non-linear areas, which can be detected by a arranged at the position sensor planar coil. Such a position sensor arrangement is known from DE 20009335 U1 known. In the known arrangement, the sensor planar coil is embedded in a resonant circuit, wherein the change in the oscillation frequency is evaluated when approaching the permanent magnet for position detection. If you want to detect the position over a longer trajectory of the permanent magnet, so would a variety of resonant circuits and corresponding frequency evaluation stages are required. This would be too complicated and expensive to realize a position detection over a longer distance. In addition, the permanent magnet with a relatively strong magnetic field must act on the soft magnetic material to bring it to saturation, so that the distance between the path of the permanent magnet and the sensor planar coil may not be too large to achieve the desired effect ,

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Positionssensoranordnung dieser Art zu schaffen, die auch über eine längere Bewegungsbahn des Permanentmagneten dessen Position auf einfache und kostengünstige Weise erfassen kann, wobei eine hohe Empfindlichkeit erreicht wird.A The object of the present invention is a position sensor arrangement of this kind, which also has a longer trajectory of the permanent magnet can capture its position in a simple and cost-effective way, whereby a high sensitivity is achieved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Positionssensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by a Position sensor arrangement solved with the features of claim 1.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen insbesondere darin, dass eine sehr hohe Empfindlichkeit dadurch erreicht wird, dass durch eine Erregerspulenanordnung das weichmagnetische Material periodisch in die Nähe des unlinearen Bereichs gebracht wird, sodass dieses bereits bei einer relativ geringen Feldstärke durch den Permanentmagneten in sättigungsnahe, unlineare Bereiche gelangt. Die Auswertung erfolgt unter Vermeidung einer kostspieligen Frequenzerzeugung und -erfassung in einfacher und kostengünstiger Weise durch Erfassung des Einbruchs der induzierten Spannung in der jeweiligen Sensor-Planarspule, wenn der entsprechende Bereich der magnetischen Struktur in den unlinearen Sättigungsbereich gelangt. Dies führt in Verbindung mit einer entsprechend der zu erfassenden Wegstrecke langen Reihe von Sensor-Planarspulen zu einer sehr exakten und empfindlichen Positionserfassung über diese Strecke. Die Positionserfassung eignet sich dadurch beispielsweise für Linearantriebe, bei denen die Bahn des Permanentmagneten nicht unmittelbar und direkt entlang der Sensor-Planarspulen gelegt werden kann.The Advantages of the present invention are, in particular, that a very high sensitivity is achieved by by an exciting coil arrangement, the soft magnetic material periodically close of the nonlinear area, so this already at a relatively low field strength through the permanent magnet near saturation, reaches unlinear areas. The evaluation takes place under avoidance costly frequency generation and detection in a simpler way and cheaper Way by detecting the onset of the induced voltage in the respective sensor planar coil, if the corresponding area the magnetic structure enters the non-linear saturation region. This leads in Connection with a corresponding to the distance to be detected long series of sensor planar coils for a very precise and sensitive position detection over these Route. The position detection is suitable for example for linear drives, where the track of the permanent magnet is not direct and direct can be placed along the sensor planar coils.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Positionssensoranordnung möglich.By in the subclaims listed activities are advantageous developments and improvements in the claim 1 specified position sensor arrangement possible.

Die weichmagnetische Struktur besteht in vorteilhafter Weise aus sich in der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung erstreckenden Bereichen mit spezifischer magnetischer Leitfähigkeit, wobei es sich vorzugsweise um eine amorphe Struktur handelt. Dies kann durch spezifische Magnetisierungsvorgänge erreicht werden, oder die Bereiche werden durch eine Reihe von Flächenmustern gebildet, insbesondere streifenförmigen, rechteckförmigen, ringförmigen, gekreuzten, kreuzförmigen oder runden Flächenmustern.The soft magnetic structure is advantageously made of itself in the longitudinal direction the PCB assembly extending areas with specific magnetic conductivity, which is preferably an amorphous structure. This can be achieved by specific magnetization processes, or the Regions are formed by a series of surface patterns, in particular striped, rectangular, annular, crossed, cross-shaped or round surface patterns.

Jedem Bereich oder Flächenmuster ist zweckmäßigerweise eine Sensor-Planarspule zugeordnet, die bei Erreichen der Sättigung des jeweiligen Bereichs oder Flächenmusters einen Einbruch der induzierten Spannung erfährt, der als Sensorsignal auswertbar ist.Each Area or area pattern is expediently associated with a sensor planar coil when reaching saturation of the respective area or area pattern experiences a collapse of the induced voltage, which can be evaluated as a sensor signal is.

Die die Erregerspulenanordnung bildende leitfähige Struktur umgreift die magnetische Struktur in der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung unter Bildung von wenigstens einer Windung, um die magnetische Struktur nahezu an die magnetische Sättigung zu bringen.The the exciting coil assembly forming conductive structure surrounds the magnetic structure in the longitudinal direction the circuit board assembly forming at least one turn, around the magnetic structure almost to the magnetic saturation bring to.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Leiterplattenanordnung aus mehreren übereinanderliegenden Schichten, wobei eine Schicht die magnetische Struktur trägt oder diese bildet, und wobei zu beiden Seiten dieser Schicht angeordnete Leiterplatten zusammen die Erregerspulenanordnung tragen, wobei die eine Leiterplatte deren wenigstens eine Halbwindung und die andere Leiterplatte deren zugeordnete zweite Halbwindung oder Halbwindungen trägt. Eine weitere Schicht trägt in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Sensor-Planarspulen. Auf diese Weise lässt sich die magnetische Anordnung in einfacher Weise schichtweise aufbauen, was zu einer für die Massenfertigung geeigneten, kostengünstigen, dünnen Leiterplattenanordnung mit nahezu beliebiger Längenausdehnung führt.In a particularly advantageous embodiment, the circuit board assembly from several superimposed Layers, one layer bearing the magnetic structure or this forms, and being arranged on both sides of this layer PCB together carry the exciting coil assembly, wherein the one circuit board whose at least one half-turn and the another printed circuit board whose associated second Halbwindung or half turns wearing. Another layer is wearing in an advantageous embodiment, the sensor planar coils. On that way build up the magnetic arrangement in a simple manner in layers, what a for the mass production of suitable, inexpensive, thin circuit board assembly with almost any length extension leads.

Optimale Verhältnisse erreicht man bei einem in der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung magnetisierten Permanentmagneten.optimal conditions one reaches one in the longitudinal direction the circuit board assembly magnetized permanent magnet.

Zur Erfassung der Einbrüche der in den Sensor-Planarspulen induzierten Spannungen dient in vorteilhafter Weise eine Auswerteelektronik zum Messen der Ströme in den Sensor-Planarspulen. Hierzu sind zweckmäßigerweise Strommesswiderstände in Reihe zu den Sensor-Planarspulen geschaltet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung besitzt die Auswerteelektronik Mittel zum sequenziellen Beaufschlagen der Sensor-Planarspulen mit Messspannungen, sodass der Zustand dieser Sensor-Planarspulen sequenziell abgefragt werden kann. Als Mittel hierfür eignet sich insbesondere ein Schieberegister.to Recording the burglary the voltages induced in the sensor planar coils are used advantageously Way an evaluation for measuring the currents in the sensor planar coils. For this are expediently Current Sense Resistors connected in series to the sensor planar coils. In an advantageous Design has the transmitter means for sequential Applying the sensor planar coils with measuring voltages, so the state of these sensor planar coils can be queried sequentially. As a means for this purpose in particular a shift register.

In einer praktischen Ausführung ist die Leiterplattenanordnung im Längsschlitz des Gehäuses eines Linearantriebs angeordnet, wobei ein bewegbares Element des Linearantriebs den Permanentmagneten trägt.In a practical design is the circuit board assembly in the longitudinal slot of the housing one Linear drive arranged, wherein a movable element of the linear drive carries the permanent magnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:embodiments The invention are illustrated in the drawing and in the following description explained in more detail. It demonstrate:

1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Leiterplattenanordnung als Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit einem entlang dieser bewegbaren Permanentmagneten, 1 a schematic perspective view of a printed circuit board assembly as an embodiment of the invention, with a movable along this permanent magnet,

2 eine Teildarstellung des Schichtaufbaus einer solchen Leiterplattenanordnung, 2 a partial view of the layer structure of such a printed circuit board assembly,

3 eine schematische Darstellung der Leiterplattenanordnung zur Erläuterung der magnetischen Wirkung des Permanentmagneten, 3 a schematic representation of the circuit board assembly for explaining the magnetic effect of the permanent magnet,

4 die Anordnung einer solchen Positionssensoranordnung mit einer Leiterplattenanordnung im Längsschlitz des Gehäuses eines Linearantriebs, 4 the arrangement of such a position sensor arrangement with a printed circuit board arrangement in the longitudinal slot of the housing of a linear drive,

5 eine Schaltungsausführung einer Auswerteelektronik und 5 a circuit design of an evaluation and

6 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der in 5 dargestellten Auswerteelektronik. 6 a signal diagram for explaining the operation of in 5 illustrated evaluation.

Die in 1 schematisch dargestellte Positionssensoranordnung besteht im Wesentlichen aus einer langgestreckten, als Leiterplatte ausgebildeten Leiterplattenanordnung 10, an der entlang ein Permanentmagnet 11 linear bewegbar ist. Dieser Permanentmagnet 11 ist in der Längsrichtung der langgestreckten Leiterplattenanordnung 10 magnetisiert.In the 1 schematically shown position sensor arrangement consists essentially of an elongated, designed as a printed circuit board circuit board assembly 10 , along which a permanent magnet 11 is linearly movable. This permanent magnet 11 is in the longitudinal direction of the elongated printed circuit board assembly 10 magnetized.

Auf der Leiterplattenanordnung 10 ist eine weichmagnetische Schicht 12 angeordnet, die aus einer Vielzahl von parallelen streifenförmigen Bereichen 13 besteht, die senkrecht zur Längsrichtung der Leiterplattenanordnung 10 orientiert sind. Bei dieser weichmagnetischen Schicht 12 kann es sich um eine gesputterte, amorphe, nanokristalline oder kristalline Schicht handeln, die beispielsweise durch Ätztechnik oder Stanztechnik in der gewünschten Weise strukturiert ist. Durch die streifenförmigen Bereiche 13 erhält die Struktur eine geometrische Vorzugsrichtung, sodass entsprechend dem Entmagnetisierungsfaktor die Sättigungsfeldstärke entlang der Streifenrichtung (Messrichtung) minimiert ist, das heißt, es wird eine einstellbare Sättigungsfeldstärke erreicht. Die Gestalt der Bereiche zur Erzielung einer geometrischen Vorzugsrichtung ist selbstverständlich nicht auf die Streifenform beschränkt, sondern es können auch andere Strukturen, wie kreisförmige, elliptische, vieleckige, quadratische, ringförmige (rund oder eckig), gekreuzte, kreuzförmige oder unregelmäßige Strukturen, eingesetzt und optimiert werden. Dabei kann es sich auch um eine durchgehende weichmagnetische Schicht 12 handeln, die magnetisch strukturiert ist.On the PCB layout 10 is a soft magnetic layer 12 arranged, consisting of a plurality of parallel strip-shaped areas 13 which is perpendicular to the longitudinal direction of the circuit board assembly 10 are oriented. In this soft magnetic layer 12 it may be a sputtered, amorphous, nanocrystalline or crystalline layer, which is patterned in the desired manner, for example by etching or stamping technique. Through the strip-shaped areas 13 the structure is given a preferred geometrical direction so that, in accordance with the demagnetization factor, the saturation field strength along the strip direction (measuring direction) is minimized, that is, an adjustable saturation field strength is achieved. The shape of the regions for obtaining a preferred geometric direction is of course not limited to the strip shape, but other structures, such as circular, elliptical, polygonal, square, annular (round or square), crossed, cross-shaped or irregular structures, can be used and optimized become. It can also be a continuous soft magnetic layer 12 act that is magnetically structured.

Eine Erregerspule 14 umgreift die weichmagnetische Schicht 12 als Ganzes, also in der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung 10. Die Windungen dieser Erregerspule 14 können beispielsweise als Kupfer-Schichtstruktur ausgebildet sein. Selbstverständlich können anstelle der die gesamte weichmagnetische Schicht 12 umgreifenden Erregerspule 14 auch einzel ne Erregerspulen treten, die einzelne Bereiche oder mehrere Bereiche zusammengefasst umgreifen. Die Erregerspule 14 oder im Falle mehrerer Erregerspulen diese Erregerspulen werden mit einer Wechselspannung so angesteuert, dass die Bereiche 13 gerade noch nicht magnetisch gesättigt sind bzw. im unlinearen Bereich der Magnetisierungskurve betrieben werden. Jeweils an den Enden der streifenförmigen Bereiche 13 sind als Sensorspulen 15 ausgebildete Planarspulen angeordnet, die ebenfalls beispielsweise als Kupfer-Schichtstruktur ausgebildet sein können. Sie dienen als Pick-up-Spulen bzw. Detektorspulen zur Detektion des jeweiligen magnetischen Streufelds der Bereiche 13 der weichmagnetischen Schicht 12. Dabei können Änderungen dieses magnetischen Streufelds erfasst werden. Wird ein weichmagnetischer Bereich 13 mit einem zusätzlichen Magnetfeld durch den Permanentmagneten 11 beaufschlagt, steuert das Erregerspulenfeld diesen Bereich 13 in die Sättigung. In diesem Moment ändert sich das magnetische Streufeld des entsprechenden Bereichs 13 nicht mehr, was mittels seiner Sensorspule 15 detektiert werden kann. Erfasst wird dabei der Einbruch der induzierten Spannung. Je nachdem, ob die positive oder negative Halbwelle der induzierten Spannung zusammenbricht, kann das Vorzeichen des zu messenden Magnetfelds bestimmt werden. Durch die Orientierung der Bereiche 13 kann der Nulldurchgang des radialen Feldverlaufs des Permanentmagneten und somit die Position desselben abso lut bestimmt werden. Dabei wird der Nulldurchgang durch Interpolation von mehreren Sensorspulen 15 mit Hilfe eines Mikrocontrollers ermittelt, was in Verbindung mit 5 noch näher erläutert wird.An excitation coil 14 surrounds the soft magnetic layer 12 as a whole, ie in the longitudinal direction of the printed circuit board assembly 10 , The turns of this exciting coil 14 may be formed, for example, as a copper layer structure. Of course, instead of the entire soft magnetic layer 12 encompassing exciter coil 14 Also ne single excitation coils occur, embrace the individual areas or multiple areas summarized. The exciter coil 14 or in the case of several excitation coils these excitation coils are driven with an AC voltage so that the areas 13 are not yet magnetically saturated or operated in the non-linear region of the magnetization curve. Each at the ends of the strip-shaped areas 13 are as sensor coils 15 trained planar coils arranged, which may also be formed, for example, as a copper layer structure. They serve as pick-up coils or detector coils for detecting the respective magnetic stray field of the areas 13 the soft magnetic layer 12 , In this case, changes of this magnetic stray field can be detected. Becomes a soft magnetic area 13 with an additional magnetic field through the permanent magnet 11 when applied, the exciting coil field controls this area 13 into saturation. At this moment, the stray magnetic field of the corresponding area changes 13 not anymore, what with his sensor coil 15 can be detected. The collapse of the induced voltage is recorded. Depending on whether the positive or negative half-wave of the induced voltage collapses, the sign of the magnetic field to be measured can be determined. By the orientation of the areas 13 can the zero crossing of the radial field profile of the permanent magnet and thus the Position of the same abso lut be determined. The zero crossing is achieved by interpolation of several sensor coils 15 with the help of a microcontroller determines what to do with 5 will be explained in more detail.

Will man radiale und axiale Feldkomponenten fassen, um einen sehr breiten Ansprechbereich zu erreichen, so eignen sich gekreuzte Amorphbandkerne, also kreuzförmig übereinanderliegende Amorphbandkerne oder direkt kreuzförmige Amorphbandkerne. Als besonders geeignet haben sich kreuzförmige Amorphbandkerne erwiesen, da dort besonders wenig Streufelder auftreten. Beide Anordnungen zeichnen sich darüber hinaus durch das Fehlen von Nebenmaxima aus.Want To summarize radial and axial field components to a very wide To reach the response range, crossed amorphous band cores, ie cross-shaped amorphous band cores or directly cross-shaped Amorphbandkerne. Cross-shaped amorphous band cores are particularly suitable proved because there are very few stray fields. Both arrangements stand out about it in addition to the absence of secondary maxima.

In 2 ist ein konstruktiver Aufbau der Leiterplattenanordnung 10 dargestellt. Die weichmagnetische Schicht 12 ist zwischen zwei Leiterplatten 16, 17 eingebettet, die jeweils an ihrer der weichmagnetischen Schicht 12 zugewandten Seite Halbwindungen der Erregerspule 14 tragen. Die Endbereiche dieser Halbwindungen der Erregerspule 14 werden dann jeweils elektrisch miteinander verbunden, was in der Darstellung gemäß 2 nicht erkennbar ist. Auf diese Weise wird eine die weichmagnetische Schicht 12 umgreifende Erregerspule 14 gebildet. Dabei ist es selbstverständlich auch möglich, dass die weichmagnetische Schicht 12 an einer der beiden Leiterplatten 16, 17 angeordnet ist, wobei sichergestellt sein sollte, dass die Halbwindungen der Erregerspule 14 keinen elektrischen Kontakt mit den streifenförmigen Bereichen 13 der weichmagnetischen Schicht 12 aufweisen. Eine dritte Leiterplatte 18 ist flächig mit der Leiterplatte 17 verbunden und trägt an ihrer der Leiterplatte 17 zugewandten Seite die planaren Sensorspulen 15, die dort so angeordnet sind, dass sie jeweils über den Endbereichen der streifenförmigen Bereiche 13 der weichmagnetischen Schicht 12 zu liegen kommen. Dabei ist es auch möglich, dass beispielsweise beiden Endbereichen der streifenförmigen Bereiche 13 je eine Sensorspule 15 zugeordnet ist.In 2 is a structural design of the circuit board assembly 10 shown. The soft magnetic layer 12 is between two circuit boards 16 . 17 embedded, each at their the soft magnetic layer 12 facing side half turns of the exciter coil 14 wear. The end portions of these half-turns of the exciter coil 14 are then electrically connected to each other, which in the illustration according to 2 is not recognizable. In this way, one becomes the soft magnetic layer 12 encompassing exciter coil 14 educated. It is of course also possible that the soft magnetic layer 12 on one of the two circuit boards 16 . 17 is arranged, it should be ensured that the half turns of the exciter coil 14 no electrical contact with the strip-shaped areas 13 the soft magnetic layer 12 exhibit. A third circuit board 18 is flat with the circuit board 17 connected and carries on her the circuit board 17 facing side of the planar sensor coils 15 which are arranged there so that they respectively above the end portions of the strip-shaped areas 13 the soft magnetic layer 12 to come to rest. It is also possible that, for example, both end portions of the strip-shaped areas 13 one sensor coil each 15 assigned.

In 3 sind die in den den streifenförmigen Bereichen 13 der Leiterplattenanordnung 10 zugeordneten Sensorspulen 15 induzierten Spannungen beim Passieren des Permanentmagneten 11 schematisch dargestellt. Links und rechts der Position des Permanentmagneten 11 erfolgt ein Vorzeichenwechsel der induzierten Spannungen, wobei in der direkten Position des Permanentmagneten 11 ein Nulldurchgang erfolgt. Durch Interpolation von mehreren Sensorspulen 15 kann dadurch die Position des Permanentmagneten 11 sehr exakt erfasst werden.In 3 are those in the strip-shaped areas 13 the circuit board assembly 10 associated sensor coils 15 induced voltages when passing the permanent magnet 11 shown schematically. Left and right of the position of the permanent magnet 11 there is a sign change of the induced voltages, wherein in the direct position of the permanent magnet 11 a zero crossing occurs. By interpolation of several sensor coils 15 This can change the position of the permanent magnet 11 be detected very accurately.

In 4 ist in einer Teildarstellung ein Gehäuse 19 eines Linearantriebs dargestellt. Das bewegbare Glied des Linearantriebs, beispielsweise ein Kolben 20, bewegt sich in einer Zylinderkammer 21 und trägt den Permanentmagneten 11. Das Ge häuse 19 weist in üblicher Weise eine radial nach außen offene Längsnut 22 auf, in die eine die Leiterplattenanordnung 10 tragende Positionssensoranordnung 23 eingesetzt bzw. eingeschoben ist. Die Leiterplattenanordnung 10 ist dabei so angeordnet, dass die streifenförmigen Bereiche 13 radial positioniert sind. Selbstverständlich ist die Anwendung nicht auf Linearantriebe beschränkt, sondern kann überall dort erfolgen, wo die Position eines bewegbaren Glieds, das einen Permanentmagneten trägt, erfasst werden soll.In 4 is in a partial view a housing 19 a linear drive shown. The movable member of the linear actuator, such as a piston 20 , moves in a cylinder chamber 21 and carries the permanent magnet 11 , The housing 19 has in the usual way a radially outwardly open longitudinal groove 22 on, in one of the circuit board assembly 10 supporting position sensor arrangement 23 inserted or inserted. The circuit board assembly 10 is arranged so that the strip-shaped areas 13 are radially positioned. Of course, the application is not limited to linear drives, but can be done anywhere where the position of a movable member carrying a permanent magnet to be detected.

Die in 5 dargestellte Auswerteelektronik weist ein von einem Mikrocontroller 24 gesteuertes Schieberegister 25 auf, an dessen Ausgängen die Sensorspulen 15 angeschlossen sind. Jede Sensorspule 15 ist über einen Strommesswiderstand 26 an Masse bzw. an ein Null-Potential gelegt. Die Verknüpfungspunkte zwischen den Sensorspulen 15 und den Strommesswiderständen 16 sind über Dioden 27 zusammengeführt und an einen Messwiderstand 28 angelegt, dessen Messspannung UA dem Mikrocontroller 24 zur Auswertung zugeführt wird.In the 5 shown evaluation unit has a from a microcontroller 24 controlled shift register 25 on, at whose outputs the sensor coils 15 are connected. Every sensor coil 15 is via a current sense resistor 26 connected to ground or to a zero potential. The connection points between the sensor coils 15 and the current sense resistors 16 are over diodes 27 brought together and to a measuring resistor 28 whose measuring voltage U A is applied to the microcontroller 24 for evaluation is supplied.

Die Wirkungsweise der in 5 dargestellten Auswerteelektronik wird anhand des in 6 dargestellten Signaldiagramms erläutert. Die Sensorspulen 15 werden durch das Schieberegister 25 sequenziell mit einer Messspannung UL bzw. ULi beaufschlagt. Der der induzierten Spannung proportionale Strom wird durch die Strommesswiderstände 16 bzw. den gemein samen Messwiderstand 28 erfasst und dem Mikrocontroller 24 zugeführt. Für die an nicht gesättigten magnetischen Bereichen angeordneten Sensorspulen 15 bildet sich dabei eine Dreieckspannung aus. Bei derjenigen Sensorspule 15 bzw. bei denjenigen Sensorspulen 15, bei denen die zugeordneten weichmagnetischen Bereiche 13 in die Sättigung gelangen, bricht die induzierte Spannung ein, sodass der Stromanstieg ab dem Erreichen der Sättigung begrenzt wird. Dies ist an der Position M des Permanentmagneten 11 der Fall. Auf diese Weise kann im Mikrocontroller 24 die Position des Permanentmagneten erfasst werden. Je nach Größe des Magnetfeldes des Permanentmagneten 11 können auch die weichmagnetischen Bereiche 13 benachbarter Sensorspulen 15 mehr oder weniger in die Sättigung gelangen, sodass auch dort der Stromanstieg mehr oder weniger begrenzt wird. Durch Interpolation kann dann die Position des Permanentmagneten besonders exakt erfasst werden.The mode of action of in 5 shown evaluation is based on the in 6 illustrated signal diagram explained. The sensor coils 15 be through the shift register 25 applied sequentially with a measuring voltage U L or U Li . The current proportional to the induced voltage is determined by the current sense resistors 16 or the common measuring resistor 28 captured and the microcontroller 24 fed. For the sensor coils arranged on non-saturated magnetic regions 15 It forms a triangle voltage. In that sensor coil 15 or at those sensor coils 15 in which the associated soft magnetic areas 13 saturation, the induced voltage breaks down, limiting the current increase from saturation. This is at the position M of the permanent magnet 11 the case. That way, in the microcontroller 24 the position of the permanent magnet can be detected. Depending on the size of the magnetic field of the permanent magnet 11 can also be the soft magnetic areas 13 adjacent sensor coils 15 more or less saturated, so that there is more or less limited the current increase. By interpolation, the position of the permanent magnet can be detected very accurately.

Das Schieberegister 25 kann selbstverständlich auch als Funktion im Mikrocontroller 24 enthalten sein, wobei anstelle des Mikrocontrollers auch ein spezifisch ausgestalteter integrierter Schaltkreis treten kann.The shift register 25 Of course, it can also be used as a function in the microcontroller 24 may be contained, wherein instead of the microcontroller also a specifically designed integrated circuit can occur.

Im Ausführungsbeispiel weist die Leiterplattenanordnung 10 eine große Zahl weichmagnetischer Bereiche 13 bzw. Sensorspulen 15 auf. Falls nur ein kleiner Bereich positionsmäßig erfasst werden soll, so reicht selbstverständlich eine wesent lich geringere Zahl aus, beispielsweise nur zwei Sensorspulen 15.In the exemplary embodiment, the printed circuit board tenanordnung 10 a large number of soft magnetic areas 13 or sensor coils 15 on. Of course, if only a small area is to be detected positionally, then a substantially lower number is sufficient, for example only two sensor coils 15 ,

Claims (13)

Positionssensoranordnung mit einer auf einer langgestreckten Leiterplattenanordnung (10) angeordneten weichmagnetischen Struktur (12), mit einer eine Erregerspulenanordnung (14) bildenden elektrisch leitfähigen Struktur, mit einer in Wirkverbindung mit der weichmagnetischen Struktur (12) und der Erregerspulenanordnung (14) stehenden Vielzahl von entlang der Leiterplattenanordnung (10) positionierten Sensor-Planarspulen (15) und mit einem entlang der Leiterplattenanordnung (10) bewegbaren Permanentmagneten (11), dessen Position relativ zur Leiterplattenanordnung (10) erfasst werden soll, wobei die Erregerspulenanordnung (14) im mit einer Erregerspannung beaufschlagten Zustand die weichmagnetische Struktur (12) derart periodisch vormagnetisiert, dass sie jeweils im Bereich des Permanentmagneten (11) in den unlinearen Sättigungsbereich gelangt, und wobei Mittel zur Erfassung des dann erfolgenden Einbruchs der induzierten Spannung der jeweiligen Sensor-Planarspule (15) vorgesehen sind.Position sensor arrangement with one on an elongate printed circuit board arrangement ( 10 ) arranged soft magnetic structure ( 12 ), with an exciting coil arrangement ( 14 ) electrically conductive structure, with one in operative connection with the soft magnetic structure ( 12 ) and the exciting coil arrangement ( 14 ) standing plurality of along the printed circuit board assembly ( 10 ) positioned sensor planar coils ( 15 ) and with a along the circuit board assembly ( 10 ) movable permanent magnets ( 11 ) whose position relative to the printed circuit board assembly ( 10 ), wherein the excitation coil arrangement ( 14 ) in the state applied with an excitation voltage the soft-magnetic structure ( 12 ) so periodically biased that they each in the region of the permanent magnet ( 11 ), and wherein means for detecting the then occurring voltage drop of the respective sensor planar coil ( 15 ) are provided. Positionssensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weichmagnetische Struktur (12) aus sich in der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung (10) erstreckenden Bereichen (13) mit spezifischer magnetischer Leitfähigkeit besteht, und insbesondere eine amorphe Struktur aufweist.Position sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the soft magnetic structure ( 12 ) in the longitudinal direction of the printed circuit board assembly ( 10 ) ( 13 ) having specific magnetic conductivity, and in particular having an amorphous structure. Positionssensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (13) durch eine Reihe von Flächenmustern gebildet werden, insbesondere streifenförmigen, rechteckförmigen, ringförmigen, gekreuzten, kreuzförmigen oder runden Flächenmustern.Position sensor arrangement according to claim 2, characterized in that the areas ( 13 ) are formed by a series of surface patterns, in particular strip-shaped, rectangular, annular, crossed, cross-shaped or round surface patterns. Positionssensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Bereich (13) oder Flächenmuster eine Sensor-Planarspule (15) zugeordnet ist.Position sensor arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that each area ( 13 ) or surface pattern a sensor planar coil ( 15 ) assigned. Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Erregerspulenanordnung (14) bildende leitfähige Struktur die magnetische Struktur (12) in der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung (10) unter Bildung von wenigstens einer Windung umgreift.Position sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation coil arrangement ( 14 ) forming conductive structure the magnetic structure ( 12 ) in the longitudinal direction of the printed circuit board assembly ( 10 ) surrounds to form at least one turn. Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplattenan ordnung (10) aus mehreren übereinanderliegenden Schichten besteht, wobei eine Schicht die magnetische Struktur (12) trägt oder diese bildet, und wobei zu beiden Seiten dieser Schicht angeordnete Leiterplatten (16, 17) zusammen die Erregerspulenanordnung (14) tragen, und wobei die eine Leiterplatte (16) deren wenigstens eine Halbwindung und die andere Leiterplatte (17) deren zugeordnete zweite Halbwindung oder Halbwindungen trägt.Position sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the printed circuit board arrangement ( 10 ) consists of several superimposed layers, wherein one layer is the magnetic structure ( 12 ) or forms, and wherein on both sides of this layer arranged printed circuit boards ( 16 . 17 ) together the excitation coil arrangement ( 14 ), and wherein the one printed circuit board ( 16 ) whose at least one half-turn and the other circuit board ( 17 ) carries its associated second half-turn or half turns. Positionssensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Schicht (18) die Sensor-Planarspulen (15) trägt.Position sensor arrangement according to claim 6, characterized in that a further layer ( 18 ) the sensor planar coils ( 15 ) wearing. Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (11) in der Längsrichtung der Leiterplattenanordnung (10) magnetisiert ist.Position sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the permanent magnet ( 11 ) in the longitudinal direction of the printed circuit board assembly ( 10 ) is magnetized. Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteelektronik (24, 25) zum Messen der Ströme in den Sensor-Planarspulen (15) ausgebildet ist.Position sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that an evaluation electronics ( 24 . 25 ) for measuring the currents in the sensor planar coils ( 15 ) is trained. Positionssensoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Strommesswiderstände (26) in Reihe zu den Sensor-Planarspulen (15) geschaltet sind.Position sensor arrangement according to claim 9, characterized in that current sense resistors ( 26 ) in series with the sensor planar coils ( 15 ) are switched. Positionssensoranordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (24, 25) Mittel (25) zum sequenziellen Beaufschlagen der Sensor-Planarspulen (15) mit Messspannungen aufweist.Position sensor arrangement according to claim 9 or 10, characterized in that the evaluation electronics ( 24 . 25 ) Medium ( 25 ) for sequentially applying the sensor planar coils ( 15 ) with measuring voltages. Positionssensoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel (25) wenigstens ein Schieberegister aufweisen.Position sensor arrangement according to claim 11, characterized in that said means ( 25 ) have at least one shift register. Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplattenanordnung (10) in einer Längsnut (22) des Gehäuses (19) eines Linearantriebs angeordnet ist, wobei ein bewegbares Element (20) des Linearantriebs den Permanentmagneten (11) trägt.Position sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the printed circuit board arrangement ( 10 ) in a longitudinal groove ( 22 ) of the housing ( 19 ) is arranged a linear drive, wherein a movable element ( 20 ) of the linear drive the permanent magnet ( 11 ) wearing.
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