DE102009003924B4 - Sensor nach dem Laufzeitprinzip mit einer Detektoreinheit für mechanisch-elastische Dichte-Wellen - Google Patents

Abstract

Positions-Sensor nach dem Laufzeitprinzip einer mechanisch-elastischen Dichte-Welle (MEDW) mit- einem Wellenleiter (3),- einem Positionselement, z. B. einem Positionsmagneten (20) sowie- einer am Wellenleiter (3) angeordneten Detektoranordnung (105), dadurch gekennzeichnet, dassdie Detektoranordnung (105) mindestens einen XMR-Sensor (1), der als Mikrochip ausgebildet ist, umfasst,wobei- der XMR-Sensor (1) den Wellenleiter (3) nicht berührt und- nicht-kontaktierend mittig quer auf dem Wellenleiter (3) angeordnet ist, wobei der Sensorchip (1) auf einer Platine (7) angeordnet ist und parallel zur Hauptebene (10) des XMR-Sensors (1) auf der Platine (7), und zwar auf der vom Sensorchip (1) abgewandten Rückseite der Platine (7), ein Biasmagnet (2) angeordnet ist.

Description

• I. Anwendungsgebiet
• Die Erfindung betrifft Positionssensoren, insbesondere deren Detektoreinheit, basierend auf dem Prinzip der Laufzeitmessung von mechanisch-elastischen Dichtewellen (MEDW) in einem Wellenleiter, die außer diesem Wellenleiter ein relativ hierzu bewegliches, die MEDW erzeugendes oder detektierendes, Positionselement umfassen.
• II. Technischer Hintergrund
• Der Wellenleiter besteht in der Regel aus einem Rohr, einem Draht oder einem Band, und kann auch als elektrischer Leiter dienen. Der Wellenleiter kann weiterhin in einem formgebenden, linearen oder kreisförmigen, Körper aus nichtmagnetischem Material, z. B. Kunststoff oder Metall zur Aufnahme und Lagerung des Wellenleiters angeordnet sein.
• Basierend auf dem Wiedemann-Effekt erzeugt ein in den Wellenleiter eingespeister Strom-Impuls bei seiner Überlagerung mit einem lateral auf den magnetostriktiven Wellenleiter gerichteten externen Magnetfeld, welches vom Positionselement, insbesondere einem Positionsmagneten herrührt, einen Torsionsimpuls einer MEDW, der sich mit etwa - je nach E-Modul oder Scher-Modulen des verwendeten Wellenleitermateriales - 2.500 m/s - 6.000 m/s vom Ort der Entstehung, also z.B. der Position des Positionselementes, in beide Richtungen im Wellenleiter ausbreitet.
• An einer Stelle, üblicherweise an einem Ende des Wellenleiters, wird insbesondere der Torsionsanteil dieses mechanisch-elastischen Dichte-Impulses von einer Detektoreinheit, die sich meist in fester Position bezüglich des Wellenleiters befindet, erfasst. Die Zeitdauer zwischen der Auslösung des Erregerstromimpulses und dem Empfang dieser MEDW ist dabei ein Maß für den Abstand des verschiebbaren Positionselementes, z. B. des Positionsmagneten von der Detektoreinrichtung oder auch der Spule bzw. des Elektromagneten.
• Ein solcher typischer Sensor ist im US-Patent US 5 590 091 A sowie US 5 736 855 A beschrieben.
• Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Erfindung liegt auf der Detektoreinrichtung.
• Diese umfasst im Stand der Technik eine Detektor-Spule, die entweder um den Wellenleiter herum angeordnet ist oder als so genannter Villary-Detektor um ein Villary-Band herum angeordnet ist, welches quer, insbesondere im 90°-Winkel, vom Wellenleiter abstrebt und mit diesem so verbunden, insbesondere mechanisch fixiert, z. B. verschweißt ist, dass der in dem Wellenleiter laufende Torsionsimpuls im Villary-Band in eine longitudinale Welle transformiert wird. Eine solche longitudinale Welle staucht bzw. dehnt das magnetoelastische Element, also den Wellenleiter oder das Villary-Band, elastisch im kristallinen Bereich, und verändert daher dessen Permeabilität µ. Das Villary-Band bzw. der Wellenleiter besteht zu diesem Zweck aus Material mit möglichst hoher Änderung der magnetischen Permeabilität Δµ_r, z. B. aus Nickel oder einer Nickel-Legierung, oder aus anderen geeigneten Materialien. Als Kompromiss zwischen den gesuchten Eigenschaften haben sich dabei auch sogenannte Konstantmodul-Legierungen erwiesen, bei denen der Temperaturkoeffizient des E- und/oder Scher-Modules über weite Temperaturbereiche beeinflussbar und insbesondere konstant gehalten werden kann. Dabei wird etwa die Form eines eigenstabilen Bandmaterials von etwa 0,05 - 0,2 mm Dicke und 0,5 - 1,5 mm Breite gewählt.
• Wegen $$\mathrm{\Delta }U\approx N\times \frac{\mathrm{\Delta \Phi }}{\mathrm{\Delta }t}\to \mathrm{\Delta }U\approx N\times \frac{\mathrm{\Delta }B\times \mathrm{\Delta }A}{\mathrm{\Delta }t}=N\times \frac{{\mu }_0\times \mathrm{\Delta }{\mu }_r}{\Delta t}\times \frac{I\times N}{L}$$

  

  ist $$\mathrm{\Delta }U\approx \frac{\mathrm{\Delta }{\mu }_r}{\mathrm{\Delta }t}\times \text{K}$$

  

  da die Werte für µ_o, I, N, L als Konstante angenommen werden können.
• Die ein magnetoelastisches Element, z.B. das Villary-Band, durchlaufende mechanisch-elastische Dichtewelle äußert sich somit in einer Spannungsänderung ΔU, die als Nutzsignal an der Detektorspule abgegriffen werden kann.
• Wie ersichtlich, ist das Nutzsignal ΔU umso größer, je größer die Änderung der magnetischen Permeabilität Δµ_r ausfällt.
• Zusätzlich ist als Arbeitspunkt bzw. Arbeitsbereich ein solcher Bereich der Kurve Δµ_r(H), also der magnetischen Permeabilität, aufgetragen über der magnetischen Feldstärke, erwünscht, in dem sich die magnetische Permeabilität Δµ_r möglichst linear, relativ zur Ursache aber möglichst stark, verändert, weshalb versucht wird, die Funktion Δµ_r(H) in der Anstiegsflanke möglichst steil auszubilden und den Arbeitsbereich dort, im annähernd linearen Bereich, zu etablieren.
• Im Stand der Technik wird zum Einstellen des Arbeitspunktes ein so genannter Bias-Magnet in Form eines Dauermagneten in räumlicher Nähe zur Detektorspule, z.B. parallel zum Villary-Band, angeordnet.
• Der Arbeitspunkt der mechanisch-elastischen Detektoreinheit hängt neben den magnetischen Parametern des Bias-Magneten hauptsächlich von dessen Positionierung relativ zur Detektor-Spule ab.
• Nachteilig ist jedoch, dass Detektorspulen relativ groß und nicht hochzuverlässig sind.
• Wenn sie zusätzlich noch gegen Fremdeinwirkung von Magnetfeldern durch ein Gehäuse aus ferritischem Material geschützt werden sollen, bauen sie auch noch entsprechend groß.
• Als magneto-resistive Elemente sind weiterhin Feldplatten, Hallsensoren und XMR-Sensoren bekannt. Diese sind jedoch wegen ihrer geringeren Empfindlichkeit und des höheren Hintergrundrauschens weniger effektiv und deshalb für die vorgenannte Anwendung bisher nicht eingesetzt worden.
• Während Hallsensoren dabei auf die Änderung der magnetischen Induktion (B) ansprechen, reagieren XMR-Sensoren, also Dünnschichtsensoren, die unter Einfluss der magnetischen Feldstärke und Richtung ihren Widerstand ändern, direkt auf die Veränderung der magnetischen Feldstärke (H) und deren Richtung.
• Dabei ist der Begriff „XMR“-Sensor ein Sammelbegriff für unterschiedliche Arten von magneto-resistiven (MR-) Sensoren, nämlich
• - GMR-Sensoren, die den Giant-magnetoresistiven Effekt nutzen,
• - CMR-Sensoren, die den colossal-magnetoresistiven Effekt nutzen, und
• - TMR-Sensoren, die den Tunnel-Effekt nutzen.
• Dem Nachteil der geringeren Empfindlichkeit steht jedoch der Vorteil einer einfachen Herstellbarkeit bzw. kostengünstigen Verfügbarkeit gegenüber sowie der einfachen Auswertbarkeit und einfachen mechanischen Handhabung solcher - in der Regel in Form eines Mikrochips vorliegender - XMR-Sensoren.
• Aus der nachveröffentlichten WO 2009/ 078 914 A1 ist es bekannt, bei einem Laufzeitsensor prinzipiell auch einen GMR-Sensor als Detektoranordnung zu verwenden. Spezielle Anordnungsarten sind dort jedoch nicht beschrieben.
• Aus der EP 0 363 518 B1 ist ein Laufzeitsensor bekannt, bei dem jedoch nicht die Laufzeit einer mechano-elastischen Dichtewelle in einem entsprechenden Wellenleiter gemessen wird, sondern die Laufzeit einer Magnetwelle entlang eines auf einem Untergrund aufgeklebten Magnetstreifens. Der auslösende Impuls wird von einer Spule geliefert, und als Detektoranordnung wird eine barberpole-bridge verwendet, die sich allerdings in relativ großem Abstand seitlich neben dem Wellenleiter befindet und ausschließlich die Ankunft einer magnetischen Welle messen kann.
• Eine Positionsbestimmung mittels zweier Positionssensoren ist aus der US 5 412 317 A bekannt. Dabei handelt es sich bei dem ersten Positionssensor um einen Positionssensor vom Absoluttyp und bei dem zweiten Positionssensor um einen vom Halb-Absoluttyp, welcher eine magnetische Induktion erfassen kann.
• Ferner ist aus der EP 0 130 578 B1 ein Positionssensor bekannt, bei welchem eine magnetische Welle mittels einer ersten Spule erzeugt und einer zweiten Spule in Abhängigkeit eines Positionselements erfasst wird. Zur Verwendung eines vergleichsweise geringen Stroms zur Erzeugung der magnetischen Welle ist nahe der ersten Spule ein verstärkender magnetischer Körper angeordnet.
• US 4 035 762 A , US 5 367 255 A sowie der Fachartikel PLETEA, M.; CHIRIAC, H.; HRISTOFOROU, E.: Miniaturized magnetostrictive delay line arrangement using multilayer-like structure. In: Sensors and Actuators A, Vol. 92, 2001, No. 1-3, S. 115-118. - ISSN 0924-4247 zeigen jeweils einen Positionssensor nach dem Laufzeitprinzip einer mechanisch-elastischen Dichte-Welle mit einem Gebermagneten und einem XMR-Sensor als DetektorAnordnung.
• Gleiches gilt für die US 5 477 143 A , US 5 508 611 A sowie US 2009 / 0 001 965 A1 .
• In der US 5 747 986 A ist erwähnt, dass anstelle einer zweiten Spule eine magnetoresistive Vorrichtung verwendet werden kann.
• a) Aufgabenstellung
• Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, eine Detektoreinheit für einen Positionssensor nach dem Laufzeitprinzip zur Verfügung zu stellen sowie ein diesbezügliches Detektionsprinzip, welches einfach und kostengünstig herzustellen ist und zu handhaben ist.
• b) Lösung der Aufgabe
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Indem als Detektoranordnung bei einem gattungsgemäßen Positionssensor nach dem Laufzeitprinzip einer mechanisch-elastischen Welle ein XMR-Sensor verwendet wird, wird das technische Vorurteil überwunden, dass diese Sensoren eine zu geringe Empfindlichkeit und ein zu hohes Hintergrundrauschen aufweisen und deshalb für eine solche Anwendung nicht geeignet seien.
• Zur einfacheren Herstellbarkeit eines Sensors wird ein solcher XMR-Sensor in der Regel in Form eines Mikrochips verwendet werden.
• Um die genannten Nachteile zu kompensieren, werden vorzugsweise zusätzliche Maßnahmen vorgeschlagen, die das Nutzsignal relativ zum Hintergrundrauschen zu verbessern helfen:
• Der XMR-Sensor, der in der Regel flächig ausgebildet ist, wird mit seiner Hauptebene - oder falls er nicht flächig ausgebildet ist, mit seiner HauptMessrichtung - parallel zu dem abzutastenden magnetoelastischen Element, also dem Wellenleiter selbst oder einem daran befestigten, meist quer hiervon abstrebenden, Villary-Band, positioniert.
• Der XMR-Sensor kann dabei im geringen Abstand zu dem abzutastenden magnetoelastischen Element angeordnet sein oder dieses auch direkt berühren. Dabei sind diejenigen Ausführungen, bei welchen der XMR-Sensor den Wellenleiter direkt berührt, nicht erfindungsgemäße Ausführungen.
• Der XMR-Sensor ist in der Regel ein Silizium-Einkristall, der auf seiner Vorderseite Kontaktpunkte zum elektrischen Kontaktieren und Weiterleiten der Signale besitzt, so dass auf der Rückseite im Abstand oder kontaktierend das magnetoresistive Element angeordnet werden kann. Sofern der Sensorchip auf einer Sensorplatine angeordnet ist, kann dies auch auf der Rückseite der Sensorplatine geschehen.
• Vorzugsweise ist der Sensorchip, ggf. zzgl. der ihn tragenden Platine, zusammen mit dem nahe daran angeordneten magnetoresistiven Element gemeinsam geschützt in einem Gehäuse untergebracht, insbesondere darin gekapselt oder vergossen.
• Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der XMR-Sensor wie das Villary-Band, vorzugsweise an der gleichen Längsposition, quer vom Wellenleiter abstrebend an diesem befestigt ist, und zwar in die gleiche Richtung, so dass zwischen dem freien Ende des XMR-Sensors einerseits und des Villary-Bandes andererseits ein verstärkender Bias-Magnet angeordnet werden kann, der diese beiden Elemente vorzugsweise berührt.
• Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den XMR-Sensor mittig auf dem Wellenleiter anzuordnen und zu befestigen, so dass seine Hauptebene parallel zur Richtung des Wellenleiters verläuft, und ebenfalls parallel hierzu, vor-zugsweise auf der vom Wellenleiter abgewandten Seite des Sensorchips bzw. der den Sensorchip tragenden Platine einen Bias-Magneten anzuordnen, dessen Polrichtung parallel oder im rechten Winkel zur Richtung des Wellenleiters verläuft. Dabei sind diejenigen Ausführungen, bei welchen der XMR-Sensor den Wellenleiter direkt berührt, nicht erfindungsgemäße Ausführungen.
• Die analoge Lösung mit einem Villary-Band besteht darin, ein z. B. U-förmiges Villary-Band mit seinen beiden freien Enden am Wellenleiter an unterschiedlichen Axialpositionen zu befestigen, und den XMR-Sensor, ggf. mit zusätzlichem Bias-Magnet, wie zuvor zum Wellenleiter beschrieben, am mittleren Schenkel des Villary-Bandes anzuordnen.
• Eine Signalverbesserung kann auch dadurch erzielt werden, dass entlang des Wellenleiters auf eine der vorbeschriebenen Arten, vorzugsweise durch direkte Anbringung auf dem Wellenleiter, an zwei verschiedenen Axialpositionen jeweils ein XMR-Sensor angeordnet wird. Dabei wird der Abstand in Axialrichtung vorzugsweise so gewählt, dass er einem ein- oder mehrfachen ganzzahligen Abstand von Wellental zu Wellenberg derjenigen magnetoelastischen Welle entspricht, die sich entlang des Wellenleiters bewegt und detektiert werden soll.
• An dem Wellenleiter können auch an gleicher Axialposition zwei Villary-Bänder angeordnet sein, die auf gegenüberliegenden Seiten des Wellenleiters befestigt sind und in die gleiche Querrichtung abstreben, so dass zwischen die freien Enden der beiden Villary-Bänder dann ein XMR-Sensor gesetzt werden kann, der sich somit dann im Abstand zum Wellenleiter befindet und vorzugsweise mit den beiden Villary-Bändern verbunden ist.
• Eine Signalverbesserung kann auch dadurch erzielt werden, dass der Wellenleiter selbst an der Abtaststelle eine einfache oder sogar mehrfache Krümmung oder Biegung vollzieht und der XMR-Sensor im Innenradius der Krümmung nahe am Wellenleiter angeordnet wird oder an einem der an der entsprechenden Stelle vom Wellenleiter abstrebenden Villary-Bänder. Vor allem wenn durch eine doppelte 90°-Biegung der Wellenleiter eine U-Form vollzieht, deren freier Innenraum der Größe des XMR-Sensors entspricht, und in diesem Innenraum der XMR-Sensor positioniert wird, lässt sich ein sehr gutes Nutzsignal erzielen, vor allem, wenn zusätzlich ein Bias-Magnet angeordnet wird, der mit seiner Polrichtung vorzugsweise parallel zur Hauptebene des XMR-Sensors verläuft, jedoch im rechten Winkel zur Hauptrichtung des Wellenleiters und zwischen den parallel zueinander verlaufenden Schenkeln des U-förmigen Wellenleiters.
• Das erfindungsgemäße Verfahren besteht somit darin, die an der Abtastposition des Wellenleiters sich ändernde Größe oder Richtung der sich ändernden magnetischen Feldstärke H durch einen Sensor abzutasten, der hierauf reagiert, beispielsweise einen XMR-Sensor.
• Alternativ dazu kann an dieser Position auch statt der Feldstärke H die sich nach der Formel B = µ × H ändernde magnetische Induktion direkt abgetastet werden durch einen entsprechenden Sensor.
• c) Ausführungsbeispiele
• Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Die Figuren zeigen die Anordnung des XMR-Sensors in:
• 1: direkt auf dem Wellenleiter mit nur einem XMR-Sensor, wobei dargestellte Lösungen, bei welchen der XMR-Sensor den Wellenleiter direkt berührt - also ohne eine dazwischen angeordnete Platine, nicht erfindungsgemäße Ausführungen darstellen,
• 2: am mittleren Schenkel eines U-förmigen Villary-Bandes,
• 3: direkt am Wellenleiter mit zwei gegenüberliegenden Sensoren an gleicher Längsposition, wobei dargestellte Lösungen, bei welchen der XMR-Sensor den Wellenleiter direkt berührt - also ohne eine dazwischen angeordnete Platine-, nicht erfindungsgemäße Ausführungendarstellen,
• 4: direkt am Wellenleiter mit zwei gegenüberliegenden Sensoren in verschiedenen Längspositionen, wobei dargestellte Lösungen, bei welchen der XMR-Sensor den Wellenleiter direkt berührt - also ohne eine dazwischen angeordnete Platine-, nicht erfindungsgemäße Ausführungen darstellen,
• 5: a) in einer Biegung des Wellenleiters, wobei diejenigen Ausführungen, bei welchen der XMR-Sensor den Wellenleiter direkt berührt, nicht erfindungsgemäße Ausführungen sind und b) und c) in einer Biegung des Villary-Bandes,
• 6: zwischen den freien Enden zweier Villary-Bänder in gleichen Längspositionen,
• 7: zwischen den freien Enden zweier Villary-Bänder in unterschiedlichen Längspositionen,
• 8: einem Villary-Band gegenüberliegend, und
• 9: zwei in der gleichen Richtung abstrebende, bezüglich des Wellenleiters gegenüberliegende XMR-Sensoren.
• 1a zeigt zunächst die Grundform eines Positionssensors nach dem Laufzeitprinzip einer mechanisch-elastischen Dichte-Welle (MEDW):
• Der gerade verlaufende Wellenleiter 3 mit dem in 1c sichtbaren runden, meist massiven Querschnitt in Form eines Stabes oder Drahtes ist an einer Längsposition mit einer Detektoranordnung 105 zum Detektieren einer MEDW ausgestattet, die ausgelöst wird durch einen in der Nähe des Wellenleiters 3 auf ihn einwirkenden Positionsmagneten 20, dessen Position bestimmt werden soll, da er entlang des Wellenleiters 3 in Längsrichtung verfahrbar ist und sich an einem hinsichtlich der Position zu detektierenden Maschinenbauteil befindet.
• Die Detektoranordnung 105 befindet sich dabei meist am einen Ende des Wellenleiters 3, wobei in den folgenden Figuren nur diejenige Stelle des Wellenleiters 3 dargestellt ist, an der sich die Detektoranordnung 105 befindet, die erfindungsgemäß in den folgenden Zeichnungen immer wenigstens einen XMR-Sensor 1 in Form eines Sensorchips umfasst.
• In 1 ist dieser plattenförmige XMR-Sensor 1 mit seiner Hauptebene 10 parallel zur Längsrichtung des Wellenleiters 3 tangential seitlich am Wellenleiter 3 angeordnet und befestigt, z. B. mittels Lötstellen 6, wie 1c zeigt. Sofern der XMR-Sensor 1 auf einer Platine 7 aufgebracht ist, ist die Platine 7 mit der vom Sensor 1 abgewandten Rückseite gegen den Umfang des Wellenleiters 3 befestigt, beispielsweise mittels Lötstellen 6 verlötet, so dass der Sensor 1 in Querrichtung zum Wellenleiter 3 einseitig oder beidseitig über den Querschnitt des Wellenleiters 3 vorsteht. Dabei sind diejenigen Ausführungen, bei welchen der XMR-Sensor 1 den Wellenleiter 3 direkt berührt, also ohne eine sich dazwischen befindliche Platine 7 am Wellenleiter 3 angeordnet und befestigt ist, nicht erfindungsgemäße Ausführungen.
• Da dieser Sensorchip 1 in der Regel nicht quadratisch, sondern rechteckig ist, kann er mit seiner Längsrichtung in Längsrichtung des Wellenleiters 1 angeordnet sein, wie in 1b dargestellt, oder rechtwinklig hierzu, wie in 1a dargestellt, wobei die Hauptmessrichtung des Sensorchips 1 in der Regel die größere Erstreckung seiner rechteckigen Grundform ist und diese Richtung mit der größten Empfindlichkeit des Sensors, vorzugsweise mit der Längsrichtung des abzutastenden Teiles, also Wellenleiter oder Villary-Band, übereinstimmen sollte.
• Sofern der Sensor 1 nicht auf einer Platine 7 aufgebracht ist, kann er auch direkt mit dem mechano-elastischen Element verbunden sein, welches er hinsichtlich der Welle detektieren soll, in diesem Fall dem Wellenleiter.
• Bei der Lösung der 2a ist das mechano-elastische Element, an dem der XMR-Sensor 1 befestigt ist, ein Villary-Band 4, jedoch gegenüber der normalen, einseitig vom Wellenleiter 3 auskragenden Bauform eines VillaryBändchens hier ein U-förmiges Villary-Band 4', welches mit seinen beiden freien Enden am Wellenleiter 3 in unterschiedlichen Längspositionen befestigt ist, so dass sein verbindender Schenkel parallel zur Längsrichtung des Wellenleiters 3 verläuft.
• An diesem verbindenden Schenkel ist wiederum auf einer der großflächigen Außenseiten des Villary-Bandes 4 der XMR-Sensor 1 aufgebracht, der hier zusätzlich zur Verstärkung des Signals einen Bias-Magneten 2 trägt, und zwar auf der vom Villary-Band 4' abgewandten Oberseite, auf der sich auch die Kontaktpunkte 5 zum Kontaktieren durch die Signalleitungen 8 für den XMR-Sensor 1 befinden.
• 2b zeigt eine Lösung ebenfalls mit einem U-förmigen Villary-Band, welches mit seinen beiden Enden an dem Wellenleiter 3 befestigt ist, jedoch mit der Hauptebene der U-Form quer zur Verlaufsrichtung des Wellenleiters 3, so dass der verbindende Schenkel der U-Form nicht parallel, sondern windschief zur Längsrichtung des Wellenleiters 3 steht, an dem dann wiederum ein XMR-Sensor 1 und ggf. ein Bias-Magnet 2 angeordnet sind, entweder auf einander gegenüberliegenden Seiten des mittleren Schenkels des Villary-Bandes 4 oder auch aufeinander aufbauend, so dass sich Bias-Magnet 2 und Villary-Band 4 auf gegenüberliegenden Seiten des XMR-Sensors 1 befinden.
• Auch bei der Lösung gemäß 1 kann - wie in 1c eingezeichnet - ebenfalls auf dem XMR-Sensor 1 ein Bias-Magnet 2 auf der vom Wellenleiter 3 gegenüberliegenden Seite angeordnet sein, der dann vorzugsweise zwischen den auf der gleichen Seite vorhandenen Kontaktpunkten 5 für die Signalleitungen 8 positioniert ist. Der Bias-Magnet ist, vorzugsweise mit seiner Polrichtung parallel zur Richtung der größten Empfindlichkeit des XMR-Sensors 1 angeordnet.
• 3 zeigt eine Lösung, die sich von derjenigen der 1 dadurch unterscheidet, dass zwei XMR-Sensoren 1 parallel zueinander liegend auf einander gegenüberliegenden Seiten des Querschnittes des Wellenleiters 3 an diesem angeordnet sind, wobei zusätzlich ein Bias-Magnet 2 quer zur Hauptebene der beiden XMR-Sensoren 1 und die beiden mit seiner Polrichtung verbindend angeordnet sein kann. Dabei sind diejenigen Ausführungen, bei welchen der XMR-Sensor 1 den Wellenleiter 3 berührt, also ohne eine sich dazwischen befindliche Platine 7 am Wellenleiter 3 angeordnet und befestigt ist, nicht erfindungsgemäße Ausführungen.
• 4 zeigt eine Lösung, bei der zwei XMR-Sensoren 1 ebenfalls auf einander gegenüberliegenden Seiten des Querschnittes des Wellenleiters 3 angeordnet sind, aber in Längsrichtung des Wellenleiters 3 an zwei verschiedenen Längspositionen. Der Abstand 9 der Längspositionen - gemessen von jeweils der Mitte des einen XMR-Sensors 1 zur Mitte des anderen XMR-Sensors 1 - ist dabei ein ganzzahliges Ein- oder Mehrfaches des Abstandes von Wellenberg zu Wellental derjenigen mechano-elastischen Dichte-Welle, die im Wellenleiter 3 entlanglaufend durch die Detektoranordnung 105 detektiert werden soll. Auch hier befinden sich die Kontaktpunkte 5 mit den davon ausgehenden Signalleitungen 8 auf der dem Wellenleiter 3 jeweils gegenüberliegenden Außenseite des Sensors 1.
• 5 zeigt wiederum eine Lösung, bei der nur ein XMR-Sensor 1 zur Detektion verwendet wird, allerdings diesmal angeordnet in einem doppelt gekröpften und damit U-förmigen Bereich, vorzugsweise einem Endbereich, des Wellenleiters 3. Dabei sind diejenigen Ausführungen, bei welchen der XMR-Sensor 1 den Wellenleiter 3 direkt berührt, nicht erfindungsgemäße Ausführungen.
• Der Freiraum im Inneren der U-Form ist dabei so bemessen, dass darin gerade der XMR-Sensor 1 mit seiner Hauptebene in der Hauptebene der U-Form liegend Platz findet, ggf. mit einem daneben liegenden oder darauf liegenden Bias-Magneten 2, dessen Polrichtung vorzugsweise quer zur Haupterstreckungsrichtung des Wellenleiters 3 angeordnet ist. Hier, wie auch in allen anderen Fällen, kann der XMR-Sensor 1 im geringen Abstand zum zu detektierenden mechano-elastischen Element - sei es der Wellenleiter 3 selbst oder ein Villary-Band 4 - positioniert und montiert sein, oder es kontaktierend.
• Bei der Lösung gemäß 5b und 5c ist ein XMR-Sensor 1 ebenfalls in einer Biegung des zu überwachenden mechano-elastischen Elementes angeordnet, allerdings diesmal im Innenwinkel eines einfach um 90° gebogenen Villary-Bandes 4, welches mit seinem einen Ende wie üblich am Wellenleiter 3 fixiert ist.
• Die durch die beiden Schenkel des gebogenen Villary-Bandes 4 aufgespannte Ebene steht dabei - wie 5b zeigt - quer zur Längsrichtung des Wellenleiters 3, und die Hauptebene des XMR-Sensors 1 verläuft parallel und vorzugsweise etwa auf Höhe des Wellenleiters 3 zwischen dem Wellenleiter 3 und dem vom Wellenleiter 3 weiter abliegenden gekröpften Schenkel des Villary-Bandes 4.
• Dies kann erreicht werden, indem der XMR-Sensor 1 auf einer Platine 7 montiert ist, die mit dem einen Ende auf der Außenseite des Wellenleiters 3 und mit dem anderen Ende am gekröpften Schenkel des Villary-Bandes 4 befestigt ist. Wenn sich der XMR-Sensor 1 dann auf der gleichen Seite der Platine befindet wie der Wellenleiter 3, befinden sich beide etwa auf gleicher Höhe.
• Zusätzlich kann dann auf der davon abgewandten Rückseite der Platine 7 wiederum ein Bias-Magnet 2 angeordnet sein, vorzugsweise wieder mit seiner Polrichtung quer zur Längsrichtung des Wellenleiters 3.
• Die dadurch bewirkte Signalverbesserung wird noch zusätzlich positiv beeinflusst, wenn sich die gesamte Anordnung nahe einer Biegung des Wellenleiters 3 und in dessen Innenwinkel angeordnet ist, wie in 5c zu erkennen.
• 6 zeigt dagegen eine Lösung, bei der am Querschnitt des Wellenleiters 3 an gleicher Längsposition auf den gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Villary-Band 4 mit seinem einen Ende befestigt ist und mit dem anderen Ende in die jeweils gleiche Querrichtung abstrebt, so dass zwischen den beiden freien Enden ein XMR-Sensor 1 montiert werden kann, dessen Hauptebene somit parallel zur Längsrichtung des Wellenleiters 3, aber quer zu den Längsrichtungen des Villary-Bandes 4, steht.
• Da die Erstreckung des XMR-Sensors 1 größer ist als der Querschnitt des Wellenleiters 3, sind die Villary-Bänder 4 vorzugsweise leicht gekröpft oder leicht V-förmig auseinander strebend, also nicht exakt gegenüberliegend, am Wellenleiter 3 befestigt.
• Da der XMR-Sensor 1 somit nur an seinen Schmalseiten an den Villary-Bändern 4 befestigt ist, stehen seine Breitseiten einerseits zur Aufnahme der Kontaktpunkte 5 für die Signalleitungen 8 und auf der anderen Seite zur Aufnahme eines Bias-Magneten 2 zur Verfügung, dessen Polrichtung vorzugsweise wiederum quer zur Längsachse des Wellenleiters 3 verläuft.
• 7 zeigt eine Lösung, die sich von derjenigen der 6 dadurch unterscheidet, dass sich die beiden Villary-Bänder 4 zwar ebenfalls auf einander gegenüberliegenden Seiten des Querschnittes des Wellenleiters 3 befinden, aber nicht an der gleichen Längsposition, sondern etwa um die Länge eines Bias-Magneten 2 versetzt, der analog zur 6 mit den beiden freien Enden der beiden Villary-Bänder 4 verbunden ist. Jedes Villary-Band 4 trägt einen eigenen XMR-Sensor 1, sodass eine redundante Bauform erzielt wird.
• 8 zeigt eine Lösung, bei der - im Unterschied zur Lösung gemäß 6 - von den beiden einander gegenüberliegenden Seiten eines Querschnitts eines Wellenleiters 3 statt zweier Villary-Bänder ein Villary-Band 4 und ein XMR-Sensor 1 in die gleiche Richtung und etwas parallel zueinander abstreben, wobei dann zwischen den beiden frei auskragenden Enden dieser beiden Elemente vorzugsweise ein Bias-Magnet 2 - vorzugsweise wiederum mit seiner Polrichtung quer zur Längsrichtung der Hauptebenen von XMR-Sensor 1 bzw. Villary-Band 4 weisend - angeordnet ist.
• Die Lösung der 9 zeigt in gleicher geometrischer Anordnung wie bei 6 statt der beiden Villary-Bänder 4 zwei XMR-Sensoren 1 wiederum mit zwischen den freien Enden angeordnetem Bias-Magneten 2. Die Kontaktpunkte 5 für die Datenleitungen 8 befinden sich dabei jeweils auf der vom Wellenleiter 3 abgewandten Seite der XMR-Sensoren 1.
• Bezugszeichenliste

1

XMR-Sensor, Sensorchip

2

Bias-Magnet

3

Wellenleiter

4, 4'

Villary-Band

5

Kontaktpunkt

6

Lötstelle

7

Platine

8

Signalleitung

9

Abstand

10

Hauptebene

20

Positionsmagnet

105

Detektoranordnung

B

magnetische Induktion

H

Feldstärke

Claims (6)

1. Positions-Sensor nach dem Laufzeitprinzip einer mechanisch-elastischen Dichte-Welle (MEDW) mit - einem Wellenleiter (3), - einem Positionselement, z. B. einem Positionsmagneten (20) sowie - einer am Wellenleiter (3) angeordneten Detektoranordnung (105), dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoranordnung (105) mindestens einen XMR-Sensor (1), der als Mikrochip ausgebildet ist, umfasst, wobei - der XMR-Sensor (1) den Wellenleiter (3) nicht berührt und - nicht-kontaktierend mittig quer auf dem Wellenleiter (3) angeordnet ist, wobei der Sensorchip (1) auf einer Platine (7) angeordnet ist und parallel zur Hauptebene (10) des XMR-Sensors (1) auf der Platine (7), und zwar auf der vom Sensorchip (1) abgewandten Rückseite der Platine (7), ein Biasmagnet (2) angeordnet ist.
2. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der XMR-Sensor (1) flächig ausgebildet ist und mit seiner Fläche parallel zur Verlaufsrichtung des Wellenleiters (3) verläuft oder bei Vorhandensein eines quer vom Wellenleiter (3) abstehenden, damit verbundenen magnetoelastischen Villary-Bandes (4) parallel zu diesem Villary-Band (4).
3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des Wellenleiters (3) in einem definierten Abstand, der dem ganzzahligen Ein- oder Mehrfachen des Abstandes von Wellental zu Wellenberg der im Wellenleiter (3) laufenden mechano-elastischen Dichte-Welle entspricht, zwei XMR-Sensoren (1) jeweils nahe am Wellenleiter (3) angeordnet sind, um ein doppeltes Signal mit definiertem Phasenversatz zu erhalten.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der XMR-Sensor (1) parallel zum Wellenleiter (3) und im Abstand hierzu angeordnet ist und mit dem Wellenleiter (3) beidseits je ein magnetoelastisches Band, insbesondere ein Villary-Band (4), verbunden ist.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (3) eine einfache oder insbesondere doppelte Krümmung oder Biegung vollzieht und der XMR-Sensor (1) im Innenradius der Krümmung angeordnet ist, insbesondere an einem dort vom Wellenleiter (3) abstrebenden Villary-Band (4) angeordnet ist.
6. Verfahren zur Positionsbestimmung eines Positionsmagneten (20) relativ zu einem Wellenleiter (3) eines Positionssensors nach dem Laufzeitprinzip, wobei das Verfahren unter Verwendung des Positions-Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Positionselement an der Abtastposition des Wellenleiters (3) sich ändernde Feldstärke (H) und/oder deren Richtung an der Abtaststelle durch einen XMR-Sensor (1) detektiert wird.

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