DE102023102164B4

DE102023102164B4 - Sekundärspulenanordnung für einen induktiven Encoder

Info

Publication number: DE102023102164B4
Application number: DE102023102164.8A
Authority: DE
Inventors: Patrick Albrand
Original assignee: PWB Encoders GmbH
Current assignee: PWB Encoders GmbH
Priority date: 2023-01-30
Filing date: 2023-01-30
Publication date: 2024-09-05
Anticipated expiration: 2043-01-31
Also published as: DE102023102164A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sekundärspulenanordnung (1) für einen induktiven Encoder (10), wobei die Sekundärspulenanordnung (1) eine Vielzahl von als Leiterbahnen auf einer Leiterplatte ausgebildeten und untereinander kreuzungsfrei elektrisch verbundenen Teilsegmenten (2.1, 2.2) einer Sinusfunktion und/oder eine Vielzahl von als Leiterbahnen auf der Leiterplatte ausgebildeten untereinander kreuzungsfrei elektrisch verbundenen Teilsegmenten (3.1, 3.2) einer Cosinusfunktion aufweist, wobei diese Teilsegmente (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) die Sinusfunktion bzw. die Cosinusfunktion abschnittsweise mit periodischen Unterbrechungen nachbilden, (3.1, 3.2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Sekundärspulenanordnung für_einen induktiven Encoder.
Induktive Encoder werden beispielsweise für Weg- und Winkelmessungen eingesetzt, die starken umweltbedingten Störeinflüssen unterliegen. Solche induktiven Encoder können ähnlich einem Transformator mit einer einspeisenden Primärspule und einer Sekundärspule aufgebaut sein, an der eine induzierte Spannung gemessen wird. Die Funktionsweise des induktiven Encoders hängt dabei stark von der Geometrie der Primärspule und der Sekundärspule ab. Es wird insbesondere angestrebt, die Geometrie der Spulen so zu konstruieren, dass an der Sekundärspule sinusförmige Signale mit hoher Güte entstehen und ausgewertet werden können. Dabei wird für die Ausführung der Geometrie der Spulen von induktiven Encodern beispielsweise Leiterplattenmaterial verwendet. Auf dem Leiterplattenmaterial sind Durchkontaktierungen technisch realisierbar und somit auch Kreuzungen möglich, die das Design der Spule erleichtern. Durchkontaktierungen wirken sich jedoch negativ auf die Signalgüte aus und verhindern eine weitreichende Verkürzung der Periodenlänge.
Die Sekundärspulen sind im Stand der Technik meist sinusförmig und cosinusförmig ausgeführt. Bei der Modulation mit einem der Periodenlänge entsprechend gestalteten Target ergeben sich somit Sinus-Signale und Cosinus-Signale. Diese ermöglichen eine absolute Winkelauswertung durch die Arcustangensfunktion über eine Periode.
Bei solchen Spulengeometrien entstehen Kreuzungen, die den Einsatz von Durchkontaktierungen notwendig machen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Anzahl der Perioden, und die damit verbundene Auflösung des Encoders durch den erhöhten Platzbedarf der Durchkontaktierungen in seinem Maximum beschränkt ist. Die Verwendung von mehreren Lagen im Leiterplattenmaterial bewirkt zudem Offset- und Linearitätsverschiebungen, da das Target nicht immer denselben Abstand zur Sekundärspule besitzt. In den Kupferflächen der Durchkontaktierungen wird außerdem ebenfalls eine Spannung induziert, die einen negativen Einfluss auf das Messsignal haben kann.
DE 103 20 990 A1 beschreibt einen induktiven Drehwinkelsensor, bestehend aus

- einer Leiterplatte, auf der eine Erregerleiterbahn und mindestens eine Empfängerleiterbahn aufgebracht sind, wobei die mindestens eine Empfängerleiterbahn einen ersten Teilabschnitt aufweist, der in einer ersten Ebene verläuft, und einen zweiten Teilabschnitt aufweist, der in einer zweiten Ebene verläuft,
- einem Teilungselement, welches relativ zur Leiterplatte drehbar ist und eine Teilungsspur umfasst, die aus alternierend angeordneten, elektrisch leitfähigen und nichtleitfähigen Teilungsbereichen besteht, wobei die mindestens eine Empfängerleiterbahn innerhalb einer Umdrehung relativ zum Teilungselement eine ungerade Anzahl von Signalperioden liefert, wobei der erste Teilabschnitt der mindestens einen Empfängerleiterbahn eine größere Länge aufweist als der zweite Teilabschnitt.

DE 102021 121 052 A1 beschreibt eine Sekundärspulenanordnung für ein induktives Encodersystem mit einer Mehrzahl an Sekundärspulen, wobei jede Sekundärspule eine Sekundärspulenleiterbahn aufweist, wobei die Sekundärspulenleiterbahnen kreuzungsfrei auf einem Leitungsträger angeordnet sind. Ferner ist ein induktives Encodersystem mit mindestens einer Primärspule beschrieben, die einen Modulationsbereich aufweist, sowie mindestens einer Empfängerspur, die mindestens einen Empfängerleitungssatz und eine vorstehend genannte Sekundärspulenanordnung aufweist, wobei die Sekundärspulenanordnung innerhalb des Modulationsbereichs angeordnet ist.
DE 10 2004 026 311 A1 beschreibt einen Positionsgeber, umfassend mindestens zwei Senderspulen und eine Empfängerspule und eine relativ zu den Spulen bewegbar angeordnete Teilungsstruktur, wobei Teilungsstruktur, Senderspulenwicklungen und Empfängerspulenwicklung im Wesentlichen in zueinander parallel liegenden Ebenen oder zumindest Quasi-Ebenen angeordnet sind, wobei Senderspulen und Empfängerspule induktiv und/oder kapazitiv gekoppelt sind und die Stärke der Kopplung von der zu den Spulen relativen Position und/oder Orientierung der Teilungsstruktur abhängig veränderbar ist, wobei jede Senderspulenwicklung mindestens zwei Bereiche umschließt, die zueinander unterschiedliche Magnetflussrichtung erzeugen, wobei die Bereiche der ersten und zweiten Senderspulenwicklung überlappend angeordnet sind, die Empfängerspulenwicklung derart geformt ist, dass ihre Leiterschleife und/oder Wicklung im Wesentlichen der Einhüllenden aller Bereiche der Senderspulenwicklungen folgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Sekundärspulenanordnung für einen induktiven Encoder anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sekundärspulenanordnung für einen induktiven Encoder mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Sekundärspulenanordnung weist eine Vielzahl von als Leiterbahnen auf einer Leiterplatte ausgebildeten und untereinander kreuzungsfrei elektrisch verbundenen Teilsegmenten einer Sinusfunktion und eine Vielzahl von als Leiterbahnen auf der Leiterplatte ausgebildeten untereinander kreuzungsfrei elektrisch verbundenen Teilsegmenten einer Cosinusfunktion auf. Diese Teilsegmente bilden die Sinusfunktion bzw. die Cosinusfunktion abschnittsweise mit periodischen Unterbrechungen nach.
Die auf diese Weise gebildeten Abschnitte der Sinusfunktion und/oder der Cosinusfunktion können eine mäanderähnliche Form bilden Das mit dieser Sekundärspulenanordnung generierte elektrische Signal weist eine hohe Güte auf.
In einer Ausführungsform greifen die der Sinusfunktion zugeordneten Teilsegmente in die Unterbrechungen der Cosinusfunktion ein und die der Cosinusfunktion zugeordneten Teilsegmente greifen in die Unterbrechungen der Sinusfunktion ein.
Auf diese Weise werden die Teilsegmente miteinander verschachtelt und somit Verbindungslinien reduziert und die Steigung bei kürzeren Periodenlängen reduziert.
Die erfindungsgemäße Lösung stellt mäanderähnliche, kreuzungsfreie und durchkontaktierungsfreie Spulen-Geometrien bereit, die den Vorteil haben, fertigungstechnisch variabel bei der Wahl der Materialen zu sein.
Die erfindungsgemäße Geometrie der Spulen ermöglicht es, auf Durchkontaktierungen zu verzichten, da diese bei der erfindungsgemäßen Geometrie nicht mehr notwendig für die Funktionsweise des induktiven Encoders sind. Auf diese Weise ist eine Skalierbarkeit der Auflösung und der Größe des Encoders möglich, die lediglich abhängig von der Strukturbreite der Leiterbahnen ist. Dies erlaubt eine erheblich höhere Auflösung und die fertigungstechnische Verwendung anderer Trägermaterialen. Wird die gesamte Geometrie der Sekundärspulen auf einer Lage realisiert, so weist das Target immer denselben Abstand zu den Sekundärspulen auf und verhindert so Linearitätsverschiebungen sowie Amplitudensprünge.
Erfindungsgemäß ist mindestens eines oder jedes der Teilsegmente als ein zumindest annähernd S-förmiger Abschnitt einer Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion von deren Minimum bis zum nachfolgenden Maximum oder von deren Maximum bis zum nachfolgenden Minimum ausgebildet.
In einer Ausführungsform sind für die Sinusfunktion entlang einer Längsrichtung oder Rotationsrichtung des Encoders in mindestens einer Ebene oder mindestens einem Kreis jeweils eine Mehrzahl von Paaren von Teilsegmenten aus jeweils einem ersten Teilsegment und einem zweiten Teilsegment periodisch mit einem Abstand von beispielsweise 4π, bezogen auf eine Periodendauer dieser Sinusfunktion, angeordnet. Das zweite Teilsegment des Paars ist mit seinem Minimum bei der Position des Maximums des ersten Teilsegments in Längsrichtung oder Rotationsrichtung oder mit seinem Maximum bei der Position des Minimums des ersten Teilsegments in Längsrichtung oder Rotationsrichtung angeordnet. Die Maxima oder Minima der beiden Teilsegmente des Paars in einer der Ebenen oder einem der Kreise sind miteinander durch ein Leiterbahnsegment verbunden, wobei das nächste Paar von Teilsegmenten für die Sinusfunktion in einem Abstand von 2π ab dem Ende des hier betrachteten vorherigen Paars oder 4π ab dem Beginn des hier betrachteten vorherigen Paars folgt, wobei das Minimum oder Maximum des zweiten Teilsegments des oder jedes Paars in einer der Ebenen oder einem der Kreise mit dem Minimum bzw. Maximum des ersten Teilsegments des jeweils nachfolgenden Paars durch ein Leiterbahnsegment verbunden ist.
In einer Ausführungsform sind für die Cosinusfunktion entlang einer Längsrichtung oder Rotationsrichtung des Encoders in mindestens einer Ebene oder mindestens einem Kreis eine Mehrzahl von Paaren von Teilsegmenten aus jeweils einem ersten Teilsegment und einem zweiten Teilsegment periodisch mit einem Abstand von beispielsweise 4π, bezogen auf eine Periodendauer dieser Cosinusfunktion, angeordnet. Das zweite Teilsegment des Paars ist mit seinem Minimum bei der Position des Maximums des ersten Teilsegments in Längsrichtung oder Rotationsrichtung oder mit seinem Maximum bei der Position des Minimums des ersten Teilsegments in Längsrichtung oder Rotationsrichtung angeordnet. Die Maxima oder Minima der beiden Teilsegmente des Paars in einer der Ebenen oder einem der Kreise sind miteinander durch ein Leiterbahnsegment verbunden. Das nächste Paar von Teilsegmenten für die Cosinusfunktion folgt in einem Abstand von 2π ab dem Ende des hier betrachteten vorherigen Paars oder 4π ab dem Beginn des hier betrachteten vorherigen Paars, wobei das Maximum oder Minimum des zweiten Teilsegments des oder jedes Paars in einer der Ebenen oder einem der Kreise mit dem Maximum bzw. Minimum des ersten Teilsegments des jeweils nachfolgenden Paars durch ein Leiterbahnsegment verbunden ist.
In einer Ausführungsform überschneiden sich ein oder mehrere Paare oder alle Paare von Teilsegmenten für die Cosinusfunktion in ihrer Position mit jeweils einem Paar von Teilsegmenten für die Sinusfunktion, wobei die Überschneidung insbesondere $\frac{π}{2}$
beträgt.
In einer Ausführungsform verläuft das Leiterbahnsegment in Längsrichtung oder Rotationsrichtung. Anderenfalls wäre eine zusätzliche Flächenänderung die Folge und damit verbunden eine Verfälschung des Signals.
In einer Ausführungsform ist das Leiterbahnsegment jeweils in einer Querrichtung oder Radialrichtung von den jeweiligen Maxima bzw. Minima um einen Abstand versetzt angeordnet.
In einer Ausführungsform sind mindestens zwei einander in Längsrichtung parallele Ebenen oder in Rotationsrichtung konzentrische Kreise vorgesehen, in denen jeweils eine Mehrzahl von Paaren von Teilsegmenten für die Sinusfunktion und/oder Cosinusfunktion angeordnet ist, wobei einander entsprechende Teilsegmente in einander benachbarten Ebenen oder Kreisen zueinander in Reihe geschaltet sind, wobei die Minima oder Maxima der beiden Teilsegmente eines Paars in einer der Ebenen oder in einem der Kreise miteinander durch ein Leiterbahnsegment verbunden sind, wobei das Maximum oder Minimum des zweiten Teilsegments eines oder jedes Paars in einer anderen Ebene oder einem anderen Kreis mit dem Maximum oder Minimum des ersten Teilsegments des jeweils nachfolgenden Paars in derselben Ebene oder im selben Kreis durch ein Leiterbahnsegment verbunden ist.
In einer Ausführungsform sind in jeder Ebene oder in jedem Kreis jeweils nur als zumindest annähernd S-förmiger Abschnitt einer Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion von deren Minimum bis zum nachfolgenden Maximum ausgebildete Teilsegmente oder jeweils nur als zumindest annähernd S-förmiger Abschnitt einer Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion von deren Maximum bis zum nachfolgenden Minimum ausgebildete Teilsegmente angeordnet. Innerhalb einer Ebene oder eines Kreises sind also nur gleichartig ausgebildete Teilsegmente angeordnet.
In einer Ausführungsform sind mindestens zwei einander in Längsrichtung parallele Ebenen oder in Rotationsrichtung konzentrische Kreise vorgesehen, wobei in zumindest einer der Ebenen oder in zumindest einem der Kreise jeweils nur als zumindest annähernd S-förmiger Abschnitt einer Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion von deren Minimum bis zum nachfolgenden Maximum ausgebildete Teilsegmente angeordnet sind, wobei in zumindest einer anderen der Ebenen oder in zumindest einem anderen der Kreise jeweils nur als zumindest annähernd S-förmiger Abschnitt einer Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion von deren Maximum bis zum nachfolgenden Minimum ausgebildete Teilsegmente angeordnet sind. Bei mehr als einer Ebene oder mehr als einem Kreis können also in einem Kreis anders ausgebildete Teilsegmente angeordnet sein als in einem anderen der Kreise. In anderen Ausführungsformen können aber auch in mehreren oder allen Ebenen oder Kreisen gleichartig ausgebildete Teilsegmente angeordnet sein.
Die Leiterbahnen können alle in einer Lage auf der Leiterplatte angeordnet sein.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein induktiver Encoder vorgeschlagen, umfassend eine Primärspule, eine Sekundärspulenanordnung wie oben beschrieben und ein relativ zur Sekundärspulenanordnung bewegliches Target zur Feldschwächung eines von der Primärspule bei Beaufschlagung mit einer Wechselspannung erzeugten magnetischen Wechselfelds an der Sekundärspulenanordnung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:

1 einen induktiven Encoder mit einer Sekundärspulenanordnung,
2 eine schematische Ansicht einer durch Feldschwächung mittels eines Targets modulierten, in der Sekundärspulenanordnung induzierten Spannung,
3 eine schematische Ansicht eines rotatorischen induktiven Encoders,
4 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines rotatorischen induktiven Encoders,
5 eine schematische Ansicht mehrerer sinusförmiger Teilsegmente mit unterschiedlicher Periodenlänge,
6 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines linearen induktiven Encoders,
7 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines linearen induktiven Encoders,
8 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines rotatorischen induktiven Encoders, und
9 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines rotatorischen induktiven Encoders.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Sekundärspulenanordnung 1 eines induktiven Encoders 10.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird anstelle der im Stand der Technik üblichen Sekundärspulen mit sinusförmiger und cosinusförmiger Geometrie eine mäanderartige Sekundärspulenanordnung 1 vorgeschlagen, die eine Vielzahl von als Leiterbahnen ausgebildeten Teilsegmenten 2.1, 2.2 einer Sinusfunktion und eine Vielzahl von Teilsegmenten 3.1, 3.2 einer Cosinusfunktion mit einer Länge von jeweils 180° oder π hinsichtlich einer Periodenlänge der betrachteten Sinusfunktion oder Cosinusfunktion von 2π aufweist. Diese Teilsegmente 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 werden über zwei Perioden in einer solchen Weise miteinander verbunden, dass keine Kreuzungen entstehen. Diese Teilsegmente 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 spannen eine Fläche auf, die für die Modulation mit einem Target 4 genutzt wird. Diese Fläche wird von einem durch eine Primärspule 11 erzeugten Wechselfeld durchdrungen, beispielsweise durch Beaufschlagung der Primärspule 11 mit einem Sinussignal. Somit wird in der Sekundärspulenanordnung 1 eine Wechselspannung induziert, welche man als Träger bezeichnet.
Erfindungsgemäß ist jedes der Teilsegmente 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 als ein zumindest annähernd S-förmiger Abschnitt einer Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion von deren Minimum bis zum nachfolgenden Maximum (das heißt $- \frac{π}{2}$
bis $+ \frac{π}{2}$
bei der Sinusfunktion und π bis 2π bei der Cosinusfunktion) ausgebildet. Dabei sind für die Sinusfunktion entlang einer Längsrichtung x des Encoders 10 eine Mehrzahl von Paaren von Teilsegmenten 2.1, 2.2 periodisch mit einem Abstand von beispielsweise 4π, bezogen auf eine Periodendauer dieser Sinusfunktion, angeordnet, wobei ein erstes Teilsegment 2.1 eines Paars mit seinem Minimum bei der Position $- \frac{π}{2}$
und seinem Maximum bei der Position $+ \frac{π}{2}$
2 2 angeordnet ist, wobei ein zweites Teilsegment 2.2 des Paars mit seinem Minimum bei der Position $\frac{π}{2}$
und seinem Maximum bei der Position $+ \frac{3π}{2}$
angeordnet ist. Dabei sind die Maxima der beiden Teilsegmente 2.1, 2.2 des Paars miteinander durch ein in Längsrichtung x verlaufendes Leiterbahnsegment 5 verbunden. Das nächste Paar folgt in einem Abstand von 2π ab dem Ende des vorherigen Paars oder 4π ab dem Beginn des vorherigen Paars, das heißt ein erstes Teilsegment 2.1 des nächsten Paars ist mit seinem Minimum bei der Position $\frac{7π}{2}$
und seinem Maximum bei der Position $+ \frac{9π}{2}$
angeordnet, wobei ein zweites Teilsegment 2.2 des nächsten Paars mit seinem Minimum bei der Position $\frac{9π}{2}$
und seinem Maximum bei der Position $+ \frac{11π}{2}$
angeordnet ist. Das Minimum des zweiten Teilsegments 2.2 eines oder jedes Paars ist mit dem Minimum des ersten Teilsegments 2.1 des jeweils nachfolgenden Paars durch ein in Längsrichtung x verlaufendes Leiterbahnsegment 6 verbunden.
Dabei kann das Leiterbahnsegment 5, 6 jeweils in einer Querrichtung y, das heißt quer zur Längsrichtung x, von den jeweiligen Maxima bzw. Minima um einen insbesondere geringen Abstand versetzt angeordnet sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
In ähnlicher Weise sind für die Cosinusfunktion entlang der Längsrichtung x des Encoders 10 eine Mehrzahl von Paaren von Teilsegmenten 3.1, 3.2 periodisch mit einem Abstand von beispielsweise 4π, bezogen auf eine Periodendauer dieser Cosinusfunktion, angeordnet, wobei ein erstes Teilsegment 3.1 eines Paars mit seinem Minimum bei der Position π und seinem Maximum bei der Position 2π angeordnet ist, wobei ein zweites Teilsegment 3.2 des Paars mit seinem Minimum bei der Position 2π und seinem Maximum bei der Position 3π angeordnet ist. Dabei sind die Minima der beiden Teilsegmente 3.1, 3.2 des Paars miteinander durch ein in der Längsrichtung x verlaufendes Leiterbahnsegment 7 verbunden. Das nächste Paar folgt in einem Abstand von 2π ab dem Ende des vorherigen Paars oder 4π ab dem Beginn des vorherigen Paars, das heißt ein erstes Teilsegment 3.1 des nächsten Paars ist mit seinem Minimum bei der Position 5π und seinem Maximum bei der Position 6π angeordnet, wobei ein zweites Teilsegment 3.2 des nächsten Paars mit seinem Minimum bei der Position 6π und seinem Maximum bei der Position 7π angeordnet ist. Das Maximum des zweiten Teilsegments 3.2 eines oder jedes Paars ist mit dem Maximum des ersten Teilsegments 3.1 des jeweils nachfolgenden Paars durch ein in Längsrichtung x verlaufendes Leiterbahnsegment 8 verbunden.
Dabei kann das Leiterbahnsegment 7, 8 jeweils in der Querrichtung y von den jeweiligen Maxima bzw. Minima um einen insbesondere geringen Abstand versetzt angeordnet sein.
Auf diese Weise sind die Sinusfunktionen und die Cosinusfunktionen der Sekundärspulenanordnung 1 miteinander verzahnt, ohne dass Kreuzungspunkte zwischen den Leiterbahnen auftreten.
Der Encoder 10 weist ferner ein oder mehrere in der Längsrichtung x bewegliche Targets 4, vorzugsweise aus einem Metall mit einer Permeabilität <= 1 auf. Bei einem Metall oder einem magnetisierbaren oder magnetisierten Material, insbesondere einem ferromagnetischen Material hoher Permeabilität, kehrt sich das Wirkprinzip des Targets 4 um.
Das Target 4 kann in der Längsrichtung x eine Länge von mindestens etwa π (entsprechend 180°) aufweisen. Bei einem kürzeren Target 4 verringert sich die Signalamplitude deutlich. Mit einer Länge des Targets 4 von 250° bis 270° kann die größte Amplitude erreicht werden. In der Querrichtung y kann das Target 4 eine Breite aufweisen, die über den Abstand zwischen dem Minimum und dem Maximum jedes Teilsegments 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 hinausgeht. Beispielsweise kann die Breite des Targets 4 so gewählt sein, dass es die Teilsegmente 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 und mindestens 50% der Primärspule 11 mit abdeckt. Vorzugsweise kann eine Mehrzahl von Targets 4 vorgesehen sein, die periodisch nacheinander mit einem Abstand von π untereinander beziehungsweise mit einer Periodenlänge von 2π angeordnet sind.
Beim Überstreichen der Sekundärspulenanordnung 1 durch das Target 4 resultiert ein Stromverlauf durch die Teilsegmente 2.1, 2.2 der Sinusfunktion und/oder Teilsegmente 3.1, 3.2 der Cosinusfunktion der Sekundärspulenanordnung 1, bei dem die Teilsegmente 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 alternierend in elektrisch positiver und negativer Richtung durchlaufen werden, so dass sich eine Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion ergibt.
Im Folgenden wird die Funktionsweise des Encoders 10 anhand des Induktionsgesetzes hergeleitet: $U_{i} = - N \cdot \frac{Δ B}{Δ t} \cdot A$

Ui: induzierte Spannung
N: Faktor für Windungszahl der Spule
B: magnetische Flussdichte
t: Zeit
A: Fläche

Die Primärspule 11 wird mit einer sinusförmigen Wechselspannung gespeist: $U (t) = \hat{U} \cdot sin (ω \cdot τ)$

U: Spannung
Û: Amplitude
ω: Kreisfrequenz

Daraus ergibt sich eine harmonische Veränderung der magnetischen Flussdichte B mit der Kreisfrequenz ω: $B (t) = \hat{B} \cdot cos (ω \cdot t)$
Eingesetzt in das Induktionsgesetz ergibt sich folgender Zusammenhang: $U_{1} = - N \cdot \frac{d (\hat{B} \cdot c o s (ω \cdot t))}{d t} \cdot A$
mit Anwendung der Kettenregel der Differenzialrechnung: $U_{i} = - N \cdot \hat{B} \cdot (- sin (ω \cdot t) * ω) \cdot Α$
$U_{i} = N \cdot B \cdot ω \cdot Α \cdot sin (ω \cdot t)$
Ist kein Target 4 zur Feldschwächung über der Sekundärspulenanordnung 1 vorhanden, so ist die induzierte Spannung U_i maximal und es findet keine Modulation statt. An der Sekundärspulenanordnung 1 wird somit eine sinusförmige Wechselspannung als induzierte Spannung U_i gemessen.
Wird jedoch ein Target 4 über der Sekundärspulenanordnung 1 platziert, so wird das Wechselfeld unter dem Target 4 geschwächt. Dies hat zur Folge, dass sich die Größe der Fläche verändert, die vom Wechselfeld durchdrungen wird. Nimmt man Bezug auf die zuvor hergeleitete Formel für die induzierte Spannung U_i, so erkennt man, dass eine Änderung der durchdrungenen Fläche einen direkten Einfluss auf die induzierte Spannung U_i hat. Durch die Form der von den Teilsegmenten 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 aufgespannten Fläche und dem senkrecht zur Längsrichtung x stehenden Target 4 ergibt sich bei einer linearen Bewegung des Targets 4 ein sinusförmiger Amplitudenverlauf der induzierten Spannung U_i.
Nimmt durch das sich bewegende Target 4 die Fläche A ab, die vom Wechselfeld durchdrungen wird, so ist die Flächenänderung negativ und die induzierte Spannung U_i damit von umgekehrter Polarität. Daraus entsteht die negative Sinus-Halbwelle und umgekehrt die positive.
2 ist eine schematische Ansicht der durch die Feldschwächung mittels des Targets 4 modulierten induzierten Spannung U_i über der Zeit t.
Das Prinzip dieser Lösung kann auf lineare sowie rotative induktive Encoder angewandt werden. 3 ist eine schematische Ansicht eines rotatorischen induktiven Encoders 10 mit beispielhaft 32 Perioden pro Umdrehung, das heißt über 360°. Die oben zu 1 beschriebenen Zusammenhänge finden analog auch auf 3 Anwendung.
Es ist daher auch hier eine mäanderartige Sekundärspulenanordnung 1 vorgesehen, die eine Vielzahl von als Leiterbahnen ausgebildeten Teilsegmenten 2.1, 2.2 einer Sinusfunktion und eine Vielzahl von Teilsegmenten 3.1, 3.2 einer Cosinusfunktion mit einer Länge von jeweils 180° oder π hinsichtlich der Periodenlänge der betrachteten Sinusfunktion oder Cosinusfunktion von 2π aufweist. Diese Teilsegmente 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 werden über zwei Perioden in einer solchen Weise miteinander verbunden, dass keine Kreuzungen entstehen. Diese Teilsegmente 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 spannen eine Fläche auf, die für die Modulation mit einem Target 4 genutzt wird. Diese Fläche wird von einem durch eine Primärspule 11 erzeugten Wechselfeld durchdrungen. Somit wird in der Sekundärspulenanordnung 1 eine Wechselspannung induziert, welche man als Träger bezeichnet.
Jedes der Teilsegmente 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 ist als ein zumindest annähernd S-förmiger Abschnitt einer Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion von deren Minimum bis zum nachfolgenden Maximum (das heißt $- \frac{π}{2}$
bis $+ \frac{π}{2}$
bei der Sinusfunktion und π bis 2π bei der Cosinusfunktion) ausgebildet. Dabei sind für die Sinusfunktion entlang einer Rotationsrichtung d des Encoders 10 eine Mehrzahl von Paaren von Teilsegmenten 2.1, 2.2 periodisch mit einem Abstand von beispielsweise 4π, bezogen auf eine Periodendauer dieser Sinusfunktion, angeordnet, wobei ein erstes Teilsegment 2.1 eines Paars mit seinem Minimum bei der Winkelposition $- \frac{π}{2}$
und seinem Maximum bei der Winkelposition $+ \frac{π}{2}$
angeordnet ist, wobei ein zweites Teilsegment 2.2 des Paars mit seinem Minimum bei der Winkelposition $\frac{π}{2}$
und seinem Maximum bei der Winkelposition $+ \frac{3π}{2}$
angeordnet ist. Dabei sind die Maxima der beiden Teilsegmente 2.1, 2.2 des Paars miteinander durch ein in Rotationsrichtung d verlaufendes Leiterbahnsegment 5 verbunden. Das nächste Paar folgt in einem Abstand von 2π ab dem Ende des vorherigen Paars oder 4π ab dem Beginn des vorherigen Paars, das heißt ein erstes Teilsegment 2.1 des nächsten Paars ist mit seinem Minimum bei der Winkelposition $\frac{7π}{2}$
und seinem Maximum bei der Winkelposition $+ \frac{9π}{2}$
angeordnet, wobei ein zweites Teilsegment 2.2 des nächsten Paars mit seinem Minimum bei der Winkelposition $\frac{9π}{2}$
und seinem Maximum bei der Winkelposition $+ \frac{11π}{2}$
angeordnet ist. Das Minimum des zweiten Teilsegments 2.2 eines oder jedes Paars ist mit dem Minimum des ersten Teilsegments 2.1 des jeweils nachfolgenden Paars durch ein in Rotationsrichtung d verlaufendes Leiterbahnsegment 6 verbunden.
Dabei kann das Leiterbahnsegment 5, 6 jeweils in einer Radialrichtung r, das heißt rechtwinklig zur Rotationsrichtung d von den jeweiligen Maxima bzw. Minima um einen insbesondere geringen Abstand versetzt angeordnet sein.
In ähnlicher Weise sind für die Cosinusfunktion entlang der Rotationsrichtung d des Encoders 10 eine Mehrzahl von Paaren von Teilsegmenten 3.1, 3.2 periodisch mit einem Abstand von beispielsweise 4π, bezogen auf eine Periodendauer dieser Cosinusfunktion, angeordnet, wobei ein erstes Teilsegment 3.1 eines Paars mit seinem Minimum bei der Winkelposition π und seinem Maximum bei der Winkelposition 2π angeordnet ist, wobei ein zweites Teilsegment 3.2 des Paars mit seinem Minimum bei der Winkelposition 2π und seinem Maximum bei der Winkelposition 3π angeordnet ist. Dabei sind die Minima der beiden Teilsegmente 3.1, 3.2 des Paars miteinander durch ein in der Rotationsrichtung d verlaufendes Leiterbahnsegment 7 verbunden. Das nächste Paar folgt in einem Abstand von 2π ab dem Ende des vorherigen Paars oder 4π ab dem Beginn des vorherigen Paars, das heißt ein erstes Teilsegment 3.1 des nächsten Paars ist mit seinem Minimum bei der Winkelposition 5π und seinem Maximum bei der Winkelposition 6π angeordnet, wobei ein zweites Teilsegment 3.2 des nächsten Paars mit seinem Minimum bei der Winkelposition 6π und seinem Maximum bei der Winkelposition 7π angeordnet ist. Das Maximum des zweiten Teilsegments 3.2 eines oder jedes Paars ist mit dem Maximum des ersten Teilsegments 3.1 des jeweils nachfolgenden Paars durch ein in Rotationsrichtung d verlaufendes Leiterbahnsegment 8 verbunden.
Dabei kann das Leiterbahnsegment 7, 8 jeweils in der Radialrichtung r von den jeweiligen Maxima bzw. Minima um einen insbesondere geringen Abstand versetzt angeordnet sein.
Auf diese Weise sind die Sinusfunktionen und die Cosinusfunktionen der Sekundärspulenanordnung 1 miteinander verzahnt, ohne dass Kreuzungspunkte zwischen den Leiterbahnen auftreten.
Der Encoder 10 weist ferner ein oder mehrere in der Rotationsrichtung d bewegliche Targets 4, beispielsweise aus einem Metall und/oder einem magnetisierbaren oder magnetisierten Material, insbesondere einem ferromagnetischen Material hoher Permeabilität, auf.
Das Target 4 oder jedes der Targets 4 kann sich in der Rotationsrichtung d über einen Winkel von etwa π erstrecken. In der Radialrichtung r kann das Target 4 eine Breite aufweisen, die über den Abstand zwischen dem Minimum und dem Maximum jedes Teilsegments 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 hinausgeht. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Targets 4 vorgesehen sein, die periodisch nacheinander mit einem Abstand von π untereinander beziehungsweise mit einer Periodenlänge von 2π über den Kreisumfang angeordnet sind.
Auch kann das Target 4 länger als 180° elek. sein. Anhand eines Linear Entwurfes wurden unterschiedlich lange Targets 4 vermessen. Die größte Signalamplitude konnte mit 250° elek. erzielt werden.
Wie auch aus 3 zu erkennen ist, weist die Sekundärspulenanordnung 1 keine Kreuzungen auf, so dass keine Notwendigkeit besteht, Durchkontaktierungen einzusetzen.
4 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines rotatorischen induktiven Encoders 10 mit einer mehrfachen Sekundärspulenanordnung 1 und einer Unterteilung in 64 Perioden über 360°.
Die oben zu 3 beschriebenen Zusammenhänge finden analog auch auf 4 Anwendung.
Es ist daher auch hier eine mäanderartige Sekundärspulenanordnung 1 vorgesehen, die eine Vielzahl von als Leiterbahnen ausgebildeten Teilsegmenten 2.1, 2.2 einer Sinusfunktion und eine Vielzahl von Teilsegmenten 3.1, 3.2 einer Cosinusfunktion mit einer Länge von jeweils 180° oder π hinsichtlich der Periodenlänge der betrachteten Sinusfunktion oder Cosinusfunktion von 2π aufweist. Diese Teilsegmente 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 werden über zwei Perioden in einer solchen Weise miteinander verbunden, dass keine Kreuzungen entstehen. Diese Teilsegmente 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 spannen eine Fläche auf, die für die Modulation mit einem Target 4 genutzt wird. Diese Fläche wird von einem durch eine Primärspule 11 erzeugten Wechselfeld durchdrungen. Somit wird in der Sekundärspulenanordnung 1 eine Wechselspannung induziert, welche man als Träger bezeichnet.
Jedes der Teilsegmente 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 ist als ein zumindest annähernd S-förmiger Abschnitt einer Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion von deren Minimum bis zum nachfolgenden Maximum (das heißt $- \frac{π}{2}$
bis $+ \frac{π}{2}$
bei der Sinusfunktion und π bis 2π bei der Cosinusfunktion) ausgebildet. Dabei sind für die Sinusfunktion entlang einer Rotationsrichtung d des Encoders 10 eine Mehrzahl von Paaren von Teilsegmenten 2.1, 2.2 periodisch mit einem Abstand von beispielsweise 4π, bezogen auf eine Periodendauer dieser Sinusfunktion, in einem äußeren Kreis 12 und einem konzentrisch im äußeren Kreis 12 angeordneten inneren Kreis 13 angeordnet, wobei in jedem der Kreise 12, 13 jeweils ein erstes Teilsegment 2.1 eines Paars mit seinem Minimum bei der Winkelposition $- \frac{π}{2}$
und seinem Maximum bei der Winkelposition $+ \frac{π}{2}$
angeordnet ist, wobei in jedem der Kreise 12, 13 jeweils ein zweites Teilsegment 2.2 des Paars mit seinem Minimum bei der Winkelposition $\frac{π}{2}$
und seinem Maximum bei der Winkelposition $+ \frac{3π}{2}$
angeordnet ist. Dabei sind die beiden ersten Teilsegmente 2.1 der Kreise 12, 13 zueinander in Reihe geschaltet und die beiden zweiten Teilsegmente 2.2 der Kreise 12, 13 zueinander in Reihe geschaltet und die Minima der beiden Teilsegmente 2.1, 2.2 des Paars im inneren Kreis 13 miteinander durch ein in Rotationsrichtung d verlaufendes Leiterbahnsegment 5 verbunden. Das nächste in gleicher Weise gebildete Paar folgt in einem Abstand von 2π ab dem Ende des vorherigen Paars oder 4π ab dem Beginn des vorherigen Paars in jedem der Kreise 12, 13, das heißt ein erstes Teilsegment 2.1 des nächsten Paars in jedem der Kreise 12, 13 ist mit seinem Minimum jeweils bei der Winkelposition $\frac{7π}{2}$
und seinem Maximum bei der Winkelposition $+ \frac{9π}{2}$
angeordnet, wobei ein zweites Teilsegment 2.2 des nächsten Paars in jedem der Kreise 12, 13 jeweils mit seinem Minimum bei der Winkelposition $\frac{9π}{2}$
und seinem Maximum bei der Winkelposition $+ \frac{11π}{2}$
angeordnet ist. Das Maximum des zweiten Teilsegments 2.2 eines oder jedes Paars im äußeren Kreis 12 ist mit dem Maximum des ersten Teilsegments 2.1 des jeweils nachfolgenden Paars im äußeren Kreis 12 durch ein in Rotationsrichtung d verlaufendes Leiterbahnsegment 6 verbunden.
Dabei kann das Leiterbahnsegment 5, 6 jeweils in einer Radialrichtung r, das heißt rechtwinklig zur Rotationsrichtung d von den jeweiligen Maxima bzw. Minima um einen insbesondere geringen Abstand versetzt angeordnet sein.
In ähnlicher Weise sind für die Cosinusfunktion entlang der Rotationsrichtung d des Encoders 10 eine Mehrzahl von Paaren von Teilsegmenten 3.1, 3.2 periodisch mit einem Abstand von beispielsweise 4π, bezogen auf eine Periodendauer dieser Cosinusfunktion, im äußeren Kreis 12 und im inneren Kreis 13 angeordnet, wobei in jedem der Kreise 12, 13 jeweils ein erstes Teilsegment 3.1 eines Paars mit seinem Minimum bei der Winkelposition π und seinem Maximum bei der Winkelposition 2π angeordnet ist, wobei in jedem der Kreise 12, 13 jeweils ein zweites Teilsegment 3.2 des Paars mit seinem Minimum bei der Winkelposition 2π und seinem Maximum bei der Winkelposition 3π angeordnet ist. Dabei sind die beiden ersten Teilsegmente 3.1 der Kreise 12, 13 zueinander in Reihe geschaltet und die beiden zweiten Teilsegmente 3.2 der Kreise 12, 13 zueinander in Reihe geschaltet, wobei die Maxima der beiden Teilsegmente 3.1, 3.2 des Paars im äußeren Kreis 12 miteinander durch ein in der Rotationsrichtung d verlaufendes Leiterbahnsegment 7 verbunden sind. Das nächste in gleicher Weise gebildete Paar folgt in einem Abstand von 2π ab dem Ende des vorherigen Paars oder 4π ab dem Beginn des vorherigen Paars, das heißt ein erstes Teilsegment 3.1 des nächsten Paars in jedem Kreis 12, 13 ist mit seinem Minimum bei der Winkelposition 5π und seinem Maximum bei der Winkelposition 6π angeordnet, wobei ein zweites Teilsegment 3.2 des nächsten Paars in jedem Kreis 12, 13 mit seinem Minimum bei der Winkelposition 6π und seinem Maximum bei der Winkelposition 7π angeordnet ist. Das Minimum des zweiten Teilsegments 3.2 eines oder jedes Paars im inneren Kreis 13 ist mit dem Minimum des ersten Teilsegments 3.1 des jeweils nachfolgenden Paars im inneren Kreis 13 durch ein in Rotationsrichtung d verlaufendes Leiterbahnsegment 8 verbunden.
Dabei kann das Leiterbahnsegment 7, 8 jeweils in der Radialrichtung r von den jeweiligen Maxima bzw. Minima um einen insbesondere geringen Abstand versetzt angeordnet sein.
Für die Reihenschaltung einander zugeordneter Teilsegmente 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 im äußeren und inneren Kreis 12, 13 können jeweils weitere Leiterbahnsegmente 14 vorgesehen sein, die vorzugsweise entweder in Rotationsrichtung d oder in Radialrichtung r verlaufen.
Auf diese Weise sind die Sinusfunktionen und die Cosinusfunktionen der Sekundärspulenanordnung 1 miteinander verzahnt, ohne dass Kreuzungspunkte zwischen den Leiterbahnen auftreten.
Wie auch aus 4 zu erkennen ist, weist die Sekundärspulenanordnung 1 keine Kreuzungen auf, so dass keine Notwendigkeit besteht, Durchkontaktierungen einzusetzen.
Die mehrfache Sekundärspulenanordnung 1 hat mehrere Vorteile gegenüber der einfachen Ausführung. Zum einen wird die vom Wechselfeld durchdrungene Fläche vergrößert und damit der Signalhub erhöht. Dies verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis und sorgt damit für ein noch robusteres Gesamtsystem. Durch die Verkürzung der Periodenlänge bei höheren Auflösungen erhöht sich die Steigung der Teilsegmente 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 und diese können sich dann einer Geraden annähern. Die mehrfache Anordnung der Teilsegmente 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 verhindert genau dieses Problem. Die benötigte Steigung verteilt sich so auf mehrere Teilsegmente 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 mit geringerer Steigung. Ein weiterer Vorteil ist die Vergrößerung der Fläche und damit verbunden eine höherer Signalamplitude. 5 ist eine schematische Ansicht mehrerer sinusförmiger Teilsegmente 2.1, 2.1', 2.1'', 2.1''' mit unterschiedlicher Periodenlänge. Bei kürzerer Periodenlänge, das heißt Unterteilung des Vollkreises in mehr Perioden, nähern sich die Teilsegmente 2.1, 2.1', 2.1'', 2.1''' einer Geraden an.
6 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines linearen induktiven Encoders 10 mit einer mehrfachen Sekundärspulenanordnung 1.
Diese Ausführungsform verwendet eine Mehrfachanordnung der Teilsegmente 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 in Längsposition, wobei die Anzahl der Anordnungen immer eine gerade Zahl sein muss. Dabei wird jedes zweite Teilsegment 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 für eine geschicktere Verbindung in Querrichtung y gespiegelt angeordnet. Dadurch entfallen die Verbindungen in Längsrichtung x zwischen den Teilsegmenten 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 in einer Längsposition, wie sie in 3 vorhanden sind. Zusätzlich kann der Versatz in Querrichtung y minimiert werden oder ganz entfallen. Dadurch lässt sich die Sekundärspulenanordnung 1 kompakter ausführen und der Offset des Sensorsignals wird reduziert. 7 zeigt diese Ausführungsform anhand eines getesteten Leiterplattenlayouts.
Durch das Verwenden von Teilsegmenten 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 mit unterschiedlich großen Amplituden lässt sich der Versatz in Querrichtung y komplett vermeiden. Eine negative Beeinflussung der Signalgüte konnte in Messungen nicht nachgewiesen werden.
8 ist eine schematische Ansicht einer analogen Ausführungsform eines rotatorischen induktiven Encoders 10 mit Teilsegmenten 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 mit unterschiedlich großen Amplituden ohne Versatz in Radialrichtung r.
Die weiteren Teilsegmente 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 spannen eine Fläche mit den gleichen Abmessungen, wie die der ursprünglichen auf. Dadurch vergrößert sich die Fläche deutlich, über der die Modulation mit dem Target 4 entsteht. Solange die aufgespannte Fläche eine Sinusform an ihren Kanten in Längsrichtung x besitzt und geometrisch richtig platziert ist, trägt jede Fläche zur Erhöhung der Signalamplitude bei.
Die Polarität der induzierten Spannung ändert sich durch das Hinzufügen weiterer Teilsegmente 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 nicht. Ob in ein Teilsegment 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 eine positive oder negative Spannung induziert wird, hängt vom Richtungssinn der gesamten Schlaufe ab. Mit Schlaufe sind dabei die Teilsegmente 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 und Verbindungen gemeint, die eine Fläche aufspannen.
Damit eine negative Spannung induziert wird, müsste der Strom die Schlaufe in entgegengesetzter Richtung durchfließen. Würde man diese Fläche dann um 180° elektrisch verschieben, so würde sich die Polarität der Spannung wieder umkehren und die Signalamplitude nochmals gesteigert werden. Diese Anordnung bedarf allerdings wieder unerwünschter Kreuzungen und wird deswegen hier nicht weiter erläutert. Eine solche Ausführungsform benötigt dann vier statt zwei Sekundärspulen. Das heißt für Sin+, Sin-, Cos+, Cos- je eine Sekundärspule. 9 zeigt schematisch eine solche Anordnung.
Auch in der Ausführungsform nach 6 ist eine mäanderartige Sekundärspulenanordnung 1 vorgesehen, die eine Vielzahl von als Leiterbahnen ausgebildeten Teilsegmenten 2.1, 2.2 einer Sinusfunktion und eine Vielzahl von Teilsegmenten 3.1, 3.2 einer Cosinusfunktion mit einer Länge von jeweils 180° oder π hinsichtlich der Periodenlänge der betrachteten Sinusfunktion oder Cosinusfunktion von 2π aufweist. Diese Teilsegmente 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 werden über zwei Perioden in einer solchen Weise miteinander verbunden, dass keine Kreuzungen entstehen. Diese Teilsegmente 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 spannen eine Fläche auf, die für die Modulation mit einem Target 4 genutzt wird. Diese Fläche wird von einem durch eine Primärspule 11 erzeugten Wechselfeld durchdrungen. Somit wird in der Sekundärspulenanordnung 1 eine Wechselspannung induziert, welche man als Träger bezeichnet.
Jedes der Teilsegmente 2.1, 2.2 bzw. 3.1, 3.2 ist als ein zumindest annähernd S-förmiger Abschnitt einer Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion von deren Minimum bis zum nachfolgenden Maximum (das heißt $- \frac{π}{2}$
bis $+ \frac{π}{2}$
bei der Sinusfunktion und π bis 2π bei der Cosinusfunktion) oder von deren Maximum bis zum nachfolgenden Minimum (das heißt $+ \frac{π}{2}$
bis $+ \frac{3π}{2}$
bei der Sinusfunktion und 0 bis π bei der Cosinusfunktion) ausgebildet. Dabei sind für die Sinusfunktion entlang einer Längsrichtung x des Encoders 10 eine Mehrzahl von Paaren von Teilsegmenten 2.1, 2.2 periodisch mit einem Abstand von beispielsweise 4π, bezogen auf eine Periodendauer dieser Sinusfunktion, in einer ersten Ebene 15 und einer parallel dazu angeordneten zweiten Ebene 16 angeordnet, wobei in der ersten Ebene 15 ein erstes Teilsegment 2.1 eines Paars mit seinem Minimum bei der Position $- \frac{π}{2}$
und seinem Maximum bei der Position $+ \frac{π}{2}$
angeordnet ist, wobei in der zweiten Ebene 16 ein erstes Teilsegment 2.1 eines Paars mit seinem Maximum bei der Position $- \frac{π}{2}$
und seinem Minimum bei der Position $+ \frac{π}{2}$
angeordnet ist, wobei in der ersten Ebene 15 ein zweites Teilsegment 2.2 des Paars mit seinem Minimum bei der Position $\frac{π}{2}$
und seinem Maximum bei der Position $+ \frac{3π}{2}$
angeordnet ist, und wobei in der zweiten Ebene 16 ein zweites Teilsegment 2.2 des Paars mit seinem Maximum bei der Position $\frac{π}{2}$
und seinem Minimum bei der Position $+ \frac{3π}{2}$
angeordnet ist. Dabei sind die beiden ersten Teilsegmente 2.1 der Ebenen 15, 16 zueinander in Reihe geschaltet und die beiden zweiten Teilsegmente 2.2 der Ebenen 15, 16 zueinander in Reihe geschaltet und die Maxima der beiden Teilsegmente 2.1, 2.2 des Paars in der ersten Ebene 15 miteinander durch ein in Längsrichtung x verlaufendes Leiterbahnsegment 5 verbunden. Das nächste in gleicher Weise gebildete Paar folgt in einem Abstand von 2π ab dem Ende des vorherigen Paars oder 4π ab dem Beginn des vorherigen Paars in jeder der Ebenen 15, 16, das heißt ein erstes Teilsegment 2.1 des nächsten Paars in jeder der Ebenen 15, 16 ist mit seinem Minimum bzw. Maximum jeweils bei der Position $\frac{7π}{2}$
und seinem Maximum bzw. Minimum bei der Position $+ \frac{9π}{2}$
angeordnet, wobei ein zweites Teilsegment 2.2 des nächsten Paars in jeder der Ebenen 15, 16 jeweils mit seinem Minimum bzw. Maximum bei der Position $\frac{9π}{2}$
und seinem Maximum bzw. Minimum bei der Position $+ \frac{11π}{2}$
angeordnet ist. Das Minimum des zweiten Teilsegments 2.2 eines oder jedes Paars in der zweiten Ebene 16 ist mit dem Minimum des ersten Teilsegments 2.1 des jeweils nachfolgenden Paars in der zweiten Ebene 16 durch ein in Längsrichtung x verlaufendes Leiterbahnsegment 6 verbunden.
Dabei kann das Leiterbahnsegment 5, 6 jeweils in einer Querrichtung y, das heißt rechtwinklig zur Längsrichtung x von den jeweiligen Maxima bzw. Minima um einen insbesondere geringen Abstand versetzt angeordnet sein.
In ähnlicher Weise sind für die Cosinusfunktion entlang der Längsrichtung x des Encoders 10 eine Mehrzahl von Paaren von Teilsegmenten 3.1, 3.2 periodisch mit einem Abstand von beispielsweise 4π, bezogen auf eine Periodendauer dieser Cosinusfunktion, in der ersten Ebene 15 und der zweiten Ebene 16 angeordnet, wobei in der ersten Ebene 15 ein erstes Teilsegment 3.1 eines Paars mit seinem Minimum bei der Position 2π und seinem Maximum bei der Position 3π angeordnet ist, wobei in der ersten Ebene 15 ein zweites Teilsegment 3.2 des Paars mit seinem Minimum bei der Position 3π und seinem Maximum bei der Position 4π angeordnet ist, wobei in der zweiten Ebene 16 ein erstes Teilsegment 3.1 eines Paars mit seinem Maximum bei der Position 2π und seinem Minimum bei der Position 3π angeordnet ist, wobei in der zweiten Ebene 16 ein zweites Teilsegment 3.2 des Paars mit seinem Maximum bei der Position 3π und seinem Minimum bei der Position 4π angeordnet ist. Dabei sind die beiden ersten Teilsegmente 3.1 der Ebenen 15, 16 zueinander in Reihe geschaltet und die beiden zweiten Teilsegmente 3.2 der Ebenen 15, 16 zueinander in Reihe geschaltet, wobei die Minima der beiden Teilsegmente 3.1, 3.2 des Paars in der zweiten Ebene 16 miteinander durch ein in der Längsrichtung x verlaufendes Leiterbahnsegment 7 verbunden sind. Das nächste in gleicher Weise gebildete Paar folgt in einem Abstand von 2π ab dem Ende des vorherigen Paars oder 4π ab dem Beginn des vorherigen Paars, das heißt ein erstes Teilsegment 3.1 des nächsten Paars in jedem Kreis 12, 13 ist mit seinem Minimum bzw. Maximum bei der Position 6π und seinem Maximum bei der Position 7π angeordnet, wobei ein zweites Teilsegment 3.2 des nächsten Paars in jeder Ebene 15, 16 mit seinem Minimum bzw. Maximum bei der Position 7π und seinem Maximum bzw. Minimum bei der Position 8π angeordnet ist. Das Maximum des zweiten Teilsegments 3.2 eines oder jedes Paars in der ersten Ebene 15 ist mit dem Maximum des ersten Teilsegments 3.1 des jeweils nachfolgenden Paars in der ersten Ebene 15 durch ein in Längsrichtung x verlaufendes Leiterbahnsegment 8 verbunden.
Dabei kann das Leiterbahnsegment 7, 8 jeweils in der Querrichtung y von den jeweiligen Maxima bzw. Minima um einen insbesondere geringen Abstand versetzt angeordnet sein.
Für die Reihenschaltung einander zugeordneter Teilsegmente 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 im äußeren und inneren Kreis 12, 13 können jeweils weitere Leiterbahnsegmente 14 vorgesehen sein, die vorzugsweise entweder in Längsrichtung x oder in Querrichtung y verlaufen.
Auf diese Weise sind die Sinusfunktionen und die Cosinusfunktionen der Sekundärspulenanordnung 1 miteinander verzahnt, ohne dass Kreuzungspunkte zwischen den Leiterbahnen auftreten.
Wie auch aus 6 zu erkennen ist, weist die Sekundärspulenanordnung 1 keine Kreuzungen auf, so dass keine Notwendigkeit besteht, Durchkontaktierungen einzusetzen.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Sekundärspulenanordnung
2.1, 2.1', 2.1'', 2.1''', 2.2: Teilsegment
3.1,3.2: Teilsegment
4: Target
5: Leiterbahnsegment
6: Leiterbahnsegment
7: Leiterbahnsegment
8: Leiterbahnsegment
10: Encoder
11: Primärspule
12: Kreis
13: Kreis
14: Leiterbahnsegment
15: Ebene
16: Ebene
d: Rotationsrichtung
r: Radialrichtung
t: Zeit
Ui: induzierte Spannung
x: Längsrichtung
y: Querrichtung

Claims

Sekundärspulenanordnung (1) für einen induktiven Encoder (10), wobei die Sekundärspulenanordnung (1) eine Vielzahl von als Leiterbahnen auf einer Leiterplatte ausgebildeten und untereinander kreuzungsfrei elektrisch verbundenen Teilsegmenten (2.1, 2.2) einer Sinusfunktion und eine Vielzahl von als Leiterbahnen auf der Leiterplatte ausgebildeten untereinander kreuzungsfrei elektrisch verbundenen Teilsegmenten (3.1, 3.2) einer Cosinusfunktion aufweist, wobei diese Teilsegmente (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) die Sinusfunktion bzw. die Cosinusfunktion abschnittsweise mit periodischen Unterbrechungen nachbilden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines oder jedes der Teilsegmente (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) als ein zumindest annähernd S-förmiger Abschnitt einer Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion von deren Minimum bis zum nachfolgenden Maximum oder von deren Maximum bis zum nachfolgenden Minimum ausgebildet ist.
Sekundärspulenanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die der Sinusfunktion zugeordneten Teilsegmente (2.1, 2.2) in die Unterbrechungen der Cosinusfunktion eingreifen, und wobei die der Cosinusfunktion zugeordneten Teilsegmente (3.1, 3.2) in die Unterbrechungen der Sinusfunktion eingreifen.
Sekundärspulenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Sinusfunktion entlang einer Längsrichtung (x) oder Rotationsrichtung (d) des Encoders (10) in mindestens einer Ebene (15, 16) oder mindestens einem Kreis (12, 13) jeweils eine Mehrzahl von Paaren von Teilsegmenten (2.1, 2.2) aus jeweils einem ersten Teilsegment (2.1) und einem zweiten Teilsegment (2.2) periodisch mit einem Abstand von beispielsweise 4π, bezogen auf eine Periodendauer dieser Sinusfunktion, angeordnet sind, wobei das zweite Teilsegment (2.2) des Paars mit seinem Minimum bei der Position des Maximums des ersten Teilsegments (2.1) in Längsrichtung (x) oder Rotationsrichtung (d) oder mit seinem Maximum bei der Position des Minimums des ersten Teilsegments (2.1) in Längsrichtung (x) oder Rotationsrichtung (d) angeordnet ist, wobei die Maxima oder Minima der beiden Teilsegmente (2.1, 2.2) des Paars in einer der Ebenen (15, 16) oder einem der Kreise (12, 13) miteinander durch ein Leiterbahnsegment (5) verbunden sind, wobei das nächste Paar von Teilsegmenten (2.1, 2.2) für die Sinusfunktion in einem Abstand von 2π folgt, wobei das Minimum oder Maximum des zweiten Teilsegments (2.2) des oder jedes Paars in einer der Ebenen (15, 16) oder einem der Kreise (12, 13) mit dem Minimum bzw. Maximum des ersten Teilsegments (2.1) des jeweils nachfolgenden Paars durch ein Leiterbahnsegment (6) verbunden ist.
Sekundärspulenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Cosinusfunktion entlang einer Längsrichtung (x) oder Rotationsrichtung (d) des Encoders (10) in mindestens einer Ebene (15, 16) oder mindestens einem Kreis (12, 13) eine Mehrzahl von Paaren von Teilsegmenten (3.1, 3.2) aus jeweils einem ersten Teilsegment (3.1) und einem zweiten Teilsegment (3.2) periodisch mit einem Abstand von beispielsweise 4π, bezogen auf eine Periodendauer dieser Cosinusfunktion, angeordnet sind, wobei das zweite Teilsegment (3.2) des Paars mit seinem Minimum bei der Position des Maximums des ersten Teilsegments (3.1) in Längsrichtung (x) oder Rotationsrichtung (d) oder mit seinem Maximum bei der Position des Minimums des ersten Teilsegments (3.1) in Längsrichtung (x) oder Rotationsrichtung (d) angeordnet ist, wobei die Maxima oder Minima der beiden Teilsegmente (3.1, 3.2) des Paars in einer der Ebenen (15, 16) oder einem der Kreise (12, 13) miteinander durch ein Leiterbahnsegment (7) verbunden sind, wobei das nächste Paar von Teilsegmenten (3.1, 3.2) für die Cosinusfunktion in einem Abstand von 2π folgt, wobei das Maximum oder Minimum des zweiten Teilsegments (3.2) des oder jedes Paars in einer der Ebenen (15, 16) oder einem der Kreise (12, 13) mit dem Maximum bzw. Minimum des ersten Teilsegments (3.1) des jeweils nachfolgenden Paars durch ein Leiterbahnsegment (8) verbunden ist.
Sekundärspulenanordnung (1) nach Anspruch 4, wobei ein oder mehrere Paare oder alle Paare von Teilsegmenten (3.1, 3.2) für die Cosinusfunktion sich in ihrer Position mit jeweils einem Paar von Teilsegmenten (2.1, 2.2) für die Sinusfunktion überschneiden, wobei die Überschneidung insbesondere $\frac{π}{2}$
beträgt.
Sekundärspulenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Leiterbahnsegment (5, 6, 7, 8) in Längsrichtung (x) oder Rotationsrichtung (d) verläuft.
Sekundärspulenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Leiterbahnsegment (5, 6) jeweils in einer Querrichtung (y) oder Radialrichtung (r) von den jeweiligen Maxima bzw. Minima um einen Abstand versetzt angeordnet ist.
Sekundärspulenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei mindestens zwei einander in Längsrichtung (x) parallele Ebenen (15, 16) oder in Rotationsrichtung (d) konzentrische Kreise (12, 13) vorgesehen sind, in denen jeweils eine Mehrzahl von Paaren von Teilsegmenten (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) für die Sinusfunktion und/oder Cosinusfunktion angeordnet ist, wobei einander entsprechende Teilsegmente (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) in einander benachbarten Ebenen (15, 16) oder Kreisen (12, 13) zueinander in Reihe geschaltet sind, wobei die Minima oder Maxima der beiden Teilsegmente (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) eines Paars in einer der Ebenen (15, 16) oder in einem der Kreise (12, 13) miteinander durch ein Leiterbahnsegment (5, 7) verbunden sind, wobei das Maximum oder Minimum des zweiten Teilsegments (2.2) eines oder jedes Paars in einer anderen Ebene (15, 16) oder einem anderen Kreis (12, 13) mit dem Maximum oder Minimum des ersten Teilsegments (2.1) des jeweils nachfolgenden Paars im derselben Ebene (15, 16) oder im selben Kreis (12, 13) durch ein Leiterbahnsegment (6, 8) verbunden ist.
Sekundärspulenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei in jeder Ebene (15, 16) oder in jedem Kreis (12, 13) jeweils nur als zumindest annähernd S-förmiger Abschnitt einer Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion von deren Minimum bis zum nachfolgenden Maximum ausgebildete Teilsegmente (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) oder jeweils nur als zumindest annähernd S-förmiger Abschnitt einer Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion von deren Maximum bis zum nachfolgenden Minimum ausgebildete Teilsegmente (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) angeordnet sind.
Sekundärspulenanordnung (1) nach Anspruch 9, wobei mindestens zwei einander in Längsrichtung (x) parallele Ebenen (15, 16) oder in Rotationsrichtung (d) konzentrische Kreise (12, 13) vorgesehen sind, wobei in zumindest einer der Ebenen (15, 16) oder in zumindest einem der Kreise (12, 13) jeweils nur als zumindest annähernd S-förmiger Abschnitt einer Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion von deren Minimum bis zum nachfolgenden Maximum ausgebildete Teilsegmente (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) angeordnet sind, wobei in zumindest einer anderen der Ebenen (15, 16) oder in zumindest einem anderen der Kreise (12, 13) jeweils nur als zumindest annähernd S-förmiger Abschnitt einer Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion von deren Maximum bis zum nachfolgenden Minimum ausgebildete Teilsegmente (2.1, 2.2, 3.1, 3.2) angeordnet sind.
Induktiver Encoder (10), umfassend eine Primärspule (11), eine Sekundärspulenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ein relativ zur Sekundärspulenanordnung (1) bewegliches Target (4) zur Feldschwächung eines von der Primärspule (11) bei Beaufschlagung mit einer Wechselspannung erzeugten magnetischen Wechselfelds an der Sekundärspulenanordnung (1).