Es ist bekannt, dass Winkelrotorlagemessungen meist mit magnetischen Messverfahren durchgeführt werden. Die DE 102013 213 948A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors, bei welchem ein Positionssignal eines Rotors des Elektromotors von einem, außerhalb einer Drehachse des Elektromotors an einem Stator des Elektromotors angeordneten Sensor abgenommen wird, welches von einer Auswerteeinheit hinsichtlich der Position des Elektromotors ausgewertet wird.

Die DE 10 2013 222 366 A1 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors, bei welchem die Rotorpositionserfassung mit einem hohen Sicherheitsniveau erfolgt. Dabei wird das Positionssignal in Abhängigkeit von einer Übertragungsentfernung zwischen Sensorik und Auswerteeinheit bei kurzen Übertragungsentfernungen mittels eines SPI- Protokoll-Signals und/oder bei längeren Übertragungsentfernungen mittels eines PWM- Signals zur Auswerteeinheit übertragen. Diese magnetischen Messverfahren sind hinsichtlich der Magnetkosten und der Toleranzanfälligkeit nicht einfach in bestimmte Systeme, in welchen ein Wnkel eines sich drehenden Bauteiles gemessen werden soll, zu integrieren. Die Genauigkeit der Wnkelpositionsmessung hängt dabei sehr stark von dynamischen Toleranzen hinsichtlich der Bewegung Magnet zu Sensor ab.

Es sind Sensoren der Firma Littelfuse bzw. MTS bekannt, die eine Linearwegmessung mittels Laufzeit ermöglichen. Hierbei wird die Laufzeit eines Impulses in einem linear sich erstreckenden magnetostriktiven Sensorelement gemessen, wobei an diesem magnetostriktiven Senso- relement ein Impulsgeber und ein Empfänger angeordnet sind. Ein Magnet wird eingesetzt, der lediglich eine Sättigungszone in dem magnetostriktiven Sensorelement ausbildet. Magne- tisierungsfehler, Inhomogenitäten, Flussvarianz infolge von Herstellungstoleranzen und der Temperaturkoeffizient können näherungsweise vernachlässigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Winkels ei- nes sich drehenden Bauteiles anzugeben, welches die Vorteile der linearen Laufzeitmessung mittels magnetostriktivem Sensorelement nutzt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die magnetostriktive Sensorstruktur zwei beabstandet zueinander liegende Sensorschleifen umfasst und jede Sensorschleife in einer Form einer Bewegungsrichtung des Bauteiles angepasst ist, wobei ein gemeinsames Sendeelement zur gleichzeitigen Einkopplung je eines Impulses in beide Sensorschleifen vorgesehen ist, in dessen Umgebung je ein Empfangselement für jede Sensorschleife zum Empfang des von der Sättigungszone der jeweiligen Sensorschleife reflektierten Impulses positioniert ist, wobei die Empfangselemente mit der Auswerteelektronik zur Bestimmung der Winkelposition aus einem Verhältnis der beiden Laufzeiten in den beiden Sensorschleifen verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass durch die gebogene Anordnung zweier Sensorschleifen in beiden Sensorschleifen jeweils eine Impulsmessung und somit Laufzeitmessung durchgeführt werden kann, wobei der Impuls jeweils von der Sättigungszone der entsprechenden magnetostriktiven Sensorschleife reflektiert wird. Eine Messung des magnetischen Flusses bzw. der Richtung des magnetischen Vektors entfällt vollständig, da nur die Sättigungsstelle detektiert wird. Dadurch kann die Laufzeitmessung auch in einem rotativen Verfahren eingesetzt werden. Eine solche Vorrichtung ist immun gegen magnetische Störfelder und erlaubt eine Winkelmessung, die tolerant gegenüber Toleranz und Umwelteinflüssen ist. Vorteilhafterweise bestimmt ein Abstand des Magneten zur magnetostriktiven Sensorstruktur die Breite der Sättigungszone. Bei einem großen Abstand verringert sich die Flussdichte in der magnetostriktiven Sensorschleife, wodurch die Sättigungszone schmaler gestaltet wird, wohingegen bei einer Verringerung des Abstandes des Magneten zur Sensorstruktur die Sättigungszone breiter wird. Durch diese Breite kann die Laufzeit der Impulse eingestellt werden, da bei breiteren Sättigungsbereichen sich die Laufzeit verkürzt.

In einer Ausgestaltung ist der Magnet zur magnetostriktiven Sensorstruktur gekippt positioniert. Dadurch lassen sich bei einem Impuls asymmetrische Sättigungszonen einstellen. In einer Weiterbildung ist der am sich drehenden Bauteil befestigte Magnet als Magnetring oder aus zwei gegenüberliegenden Blockmagneten gebildet. Da es nur notwendig ist, zwei entgegengesetzt gegenüberliegende Sättigungszonen zu erzeugen, ist eine Verwendung von einfachen Blockmagneten besonders kostengünstig. Die Verwendung eines Magnetringes erzeugt demgegenüber einen kontinuierlichen Magnetfeldverlauf.

Vorteilhafterweise ist die Sensorstruktur in einem den Impuls generierenden und die Auswer- teelektronik umfassenden elektronischen Bauelement ausgebildet. Dadurch lassen sich besonders einfache und kleine Vorrichtungen generieren.

Alternativ ist die Sensorstruktur in einer Platine ausgebildet, auf welcher das den Impuls generierende und die Auswerteelektronik umfassende elektronische Bauelement positioniert ist. So stellen das elektronische Bauteil und das Trägerelement des elektronischen Bauteils zwar separate Bauteile dar, da aber das Trägerelement als solches in der Vorrichtung immer vorhanden ist, wird auf eine zusätzliche Einrichtung zum Tragen der Sensorstruktur verzichtet, was die Vorrichtung verkleinert. In einer Variante umfassen die innere Sensorschleife und die äußere Sensorschleife jeweils zwei gebogene Sensorelemente. Mittels diesen zwei gebogenen Sensorelementen ist eine redundante Messung möglich, da sowohl in der inneren Sensorschleife als in der äußeren Sensorschleife eine Laufzeitüberwachung erfolgen kann. Durch diese Verwendung von zwei annähernd runden Sättigungsschleifen wird eine Totzone innerhalb der magnetostriktiven Sensorstruktur unterbunden.

In einer Ausgestaltung sind die gebogenen Sensorelemente der beiden Sensorschleifen halbkreisförmig ausgebildet, wobei die halbkreisförmigen Sensorelemente einer Sensorschleife kreisähnlich angeordnet sind. Mittels einer solchen Vorrichtung lässt sich einfach ein 360°- Sensor realisieren, um eine vollständige Umdrehung des sich drehenden Bauteiles erfassen zu können.

In einer Variante sind die Endenpaare der inneren und der äußeren Sensorschleife um 90° zueinander versetzt angeordnet. Mittels einer solchen Anordnung können je nach Ausbildung der Sättigungszone redundante Signale durch Nutzung beider Sensorschleifen erzeugt werden. Dies erfolgt insbesondere, wenn der Magnet so angeordnet ist, dass ein Sättigungsbereich zwischen einem Endenpaar der äußeren Sensorschleife und einem Endenpaar der inneren Sensorschleife ausgebildet ist. In einer Alternative ist der Sättigungsbereich zwischen den beiden Empfangselementen eines Endenpaares der inneren oder der äußeren Sensorschleife ausgebildet. Ist dies der Fall, kann nur einer der beiden Sensorschleifen zur Laufzeitmessung genutzt werden. Der inaktive ande- re Teil kann aber weiterhin zur Überprüfung der Funktion eingesetzt werden, jedoch nicht zur exakten Positionsbestimmung.

In einer Ausführungsform weist jede Sensorschleife nur ein gebogenes Element auf, welches sich über mehr als 180° erstreckt, wobei das Endenpaar der inneren Sensorschleife von der äußeren Sensorschleife überdeckt wird. In dieser Anordnung können unter der Voraussetzung, dass die Überlappung der inneren und der äußeren Sensorschleife immer größer als die Sättigungszone ist, die innere und die äußere Sensorschleife zur Messung in beide Richtungen verwendet werden.

Um die Laufzeit des Impulses entsprechend verlängern zu können und somit die Genauigkeit der Positionsbestimmung des sich drehenden Bauteiles zu erhöhen, sind die gebogenen Elemente der Sensorschleifen mäanderförmig ausgebildet. Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Mehrere davon sollen anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 : ein Funktionsprinzip der Laufzeitmessung, Fig. 2: ein weiteres Funktionsprinzip der Laufzeitmessung,

Fig. 3: eine Ausführungsbeispiel zur Generierung einer Sättigungszone in einer mag- netostriktiven Sensorstruktur, Fig. 4: ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Generierung einer Sättigungszone in einer magnetostriktiven Sensorstruktur,

Fig. 5: ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Generierung einer Sättigungszone in einer magnetostriktiven Sensorstruktur,

Fig. 6: ein Ausführungsbeispiel zur Verwendung von Blockmagneten,

Fig. 7: ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung der magnetostriktiven Struktur, Fig. 8: ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Anordnung der magnetostriktiven Struktur, Fig. 9: ein Ausführungsbeispiel einer magnetostriktiven Sensorstruktur für einen 360°- Sensor,

Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer magnetostriktiven Sensorstruktur für einen 360°-Sensor,

Fig. 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer magnetostriktiven Sensorstruktur für einen 360°-Sensor,

Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel einer magnetostriktiven Sensorschleife.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Funktionsprinzips der Laufzeitmessung bei einem magnetostriktiven Wegaufnehmer dargestellt, welcher einen Wnkel eines rotierenden Bauteiles misst. Der magnetostriktive Wegaufnehmer 1 dient zur Messung der Entfernung zwischen zwei Punkten 2, 3, zwischen welchen ein als magnetostriktive Sensorstruktur 4 ausgebildeter Wellenleiter angeordnet ist, entlang welchem sich ein Permanentmagnet 5 bewegt. In den Punkten 2, 3 wird jeweils ein Stromimpuls in die magnetostriktive Sensorstruktur 4 eingekoppelt. Der Strom erzeugt ein zirkuläres Magnetfeld, das aufgrund weichmagnetischer Eigenschaften der magnetostriktive Sensorstruktur 4 in diesem gebündelt wird. An der zu mes- senden Stelle des Weges ist der bewegliche Permanentmagnet 5 als Positionsgeber eingesetzt, dessen magnetische Feldlinien rechtwinklig zum Impulsmagnetfeld verlaufen und ebenfalls in der magnetostriktive Sensorstruktur 4 gebündelt werden. In dem Bereich der magnetostriktive Sensorstruktur 4, wo beide Magnetfelder sich überlagern, entsteht eine elastische Verformung durch Magnetostriktion, die einer Sättigungszone 6 entspricht. An dieser Sätti- gungszone 6 werden die jeweils in den Punkten 2, 3 eingespeisten Impulse reflektiert. In den Punkten 2 und 3 werden die reflektierten Impulse wieder empfangen und deren Laufzeit bestimmt. Aus dem Verhältnis der beiden Laufzeiten wird auf die Position des Permanentmagneten 5 geschlossen, der an dem sich drehenden Bauteil befestigt ist. Fig. 2 zeigt ein weiteres Funktionsprinzip der Laufzeitmessung, bei welchem mehrere Punkte 2, 3, 7 zur Impulseinkoppelung und -messung genutzt werden. Jeder Punkt 2, 3, 7 entspricht dabei einem vorgegebenen Winkel, so beispielsweise der Punkt 7 einem Wnkel von 0°, der Punkt 3 einem Wnkel von 180° und der Punkt 2 einem Wnkel von 360°. An jedem Punkt 2, 3, 7 werden in entgegengesetzte Richtungen der magnetostriktiven Sensorstruktur 4 Impulse eingekoppelt und von der jeweils sich in der Sensorstruktur 4 zwischen zwei Punkten 2, 3 bzw. 3, 7 entstehende Sättigungszonen 6, 8 reflektiert. Da dem Einspeise- und gleichzeitig Empfängerpunkten 1 , 2 und 7 jeweils eine feste Winkelposition zugeordnet ist, lässt sich aus den unterschiedlichen Laufzeitmessungen redundant auf die Position des Permanentmagneten 5 schließen.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel zur Generierung der Sättigungszone der magnetostriktive Sensorstruktur 4 dargestellt. Die magnetostriktive Sensorstruktur 4 ist dabei auf einer Leiterplatte 9 befestigt. Dieser gegenüberliegend ist der Permanentmagnet 5 zentrisch zur Drehachse 12 angeordnet, wobei die linke Seite den Südpol S und die rechte Seite den Nordpol N darstellt. In der bereits erläuterten Art bilden sich Sättigungszonen 6, 8 aus, wobei unter diesen Sättigungszonen 6, 8 eine Magnetisierung verstanden wird, deren Wert durch eine Erhö- hung der äußeren magnetischen Feldstärke nicht überschritten wird.

Bei zentrischer Anordnung des Permanentmagneten 5 gegenüber der magnetostriktive Sensorstruktur 4 entstehen gleich breite Sättigungszonen 6, 8 im Signal des reflektierten Impulses. Diese Breite der Sättigungszonen 6, 8 lässt sich infolge einer Abstandsänderung des Permanentmagneten 5 zur magnetostriktive Sensorstruktur 4 variieren, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Fig. 4a zeigt einen größeren Abstand zwischen Permanentmagnet 5 und magnetostriktive Sensorstruktur 4, wodurch beide Impulse einen geringeren Sättigungsabstand aufweisen. Wird, wie in Fig. 4b dargestellt, der Permanentmagnet 5 näher an die magnetostriktive Sensorstruktur 4 herangebracht, so verbreitert sich die Sättigungszone 6, 8 infolge einer höheren Flussdichte in der magnetostriktiven Sensorstruktur 4.

Auch durch eine Verkippung des Permanentmagneten 5 zur magnetostriktive Sensorstruktur 4 können verschiedene Breiten der Sättigungszonen 6, 8 eingestellt werden, wie es in Fig. 5 verdeutlicht ist. Dabei bewirkt die Verkippung des Permanentmagneten 5 asymmetrisch breite Sättigungszonen 6, 8.

In den vorhergehenden Beispielen wurde davon ausgegangen, dass es sich bei dem Permanentmagneten 5 um einen Magnetring handelt, der an dem sich drehenden Bauteil befestigt ist, dessen Position detektiert werden soll. Ein kontinuierlicher Magnetfeldverlauf, wie er durch den Magnetring erzeugt wird, ist aber für die Verwendung der Wnkelmessung nicht unbedingt notwendig. So können anstelle des Magnetringes auch zwei Blockmagneten 10, 1 1 gegenüber der magnetostriktiven Sensorstruktur 4 angeordnet werden, die in ihrer Positionierung entgegengesetzt gepolt sind und den gleichen Abstand zur Drehachse 12 aufweisen. Mittels diesen zwei Blockmagneten 10, 1 1 werden nur zwei Sättigungszonen 6, 8 für die Impulsmes- sung erzeugt, die bei der gegenüberliegenden Anordnung der beiden Blockmagneten 10, 11 entstehen. In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung der magnetostriktiven Sensorstruktur 4 gezeigt. Die Sensorstruktur 4 ist dabei vereinfacht als Ring dargestellt und weist in vorgegebenen Abständen Punkte 1 , 2, 7 zum Einkoppeln von zwei in entgegengesetzte Richtung laufenden Impulsen und zum Empfang der reflektierten Impulse auf. Eine solche Sensorstruktur 4 ist in einem Chip 13 ausgebildet, wobei das Zentrum des Chips 13 von einer elektronischen Baueinheit 14 zur Impulsgenerierung und Auswertung gebildet wird. Die Sensorstruktur 4 umschließt dabei die elektronische Baueinheit 14. Ein solcher Chip 13 ist auf der Leiterplatte 9 befestigt. Da wie schon bereits erläutert, den vorgegebenen Punkten 2, 3, 7 feste Winkelgrade zugeordnet sind, erfolgt beispielsweise eine Impulseinkopplung und der Empfang der reflek- tierten Impulse bei 0° und bei 360°, wobei die durch den Permanentmagneten 5 hervorgerufenen Sättigungzonen 6, 8 zwischen 0° und 180° bzw. 180° und 360° der Sensorstruktur 4 liegen. Durch die Anordnung der Sensorstruktur 4 im Chip 13 wird ein universal ausgebildeter Chip realisiert, der an die verschiedensten Anwendungen angepasst werden kann. In einem alternativen Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, sind der Chip 13, welcher das elektronische Baueinheit 14 zur Impulserzeugung und Impulsauswertung trägt, auf der Leiterplatte 9 positioniert, während die Sensorstruktur 4 innerhalb der Leiterplatte 9 ausgebildet und mit dem Chip 13 verbunden ist. In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel einer magnetostriktiven Sensorstruktur 4 eines 360°- Sensors dargestellt. Für einen solchen Sensor besteht die Sensorstruktur aus zwei Sensorschleifen 15, 16, wobei jede Sensorschleife 15, 16 zwei halbrunde Sensorelemente 15.1 , 15.2 bzw. 16.1 , 16.2 umfasst. Die beiden Sensorelemente 16.1 , 16.2 der inneren Sensorschleife 16 sind annähernd kreisförmig angeordnet. Dasselbe gilt für die beiden Sensorelemente 15.1 , 15.2 der äußeren Sensorschleife 15, die die innere Sensorschleife 16 umschließen. In dieser Struktur werden durch den nicht weiter dargestellten Permanentmagneten 5 zwei Sättigungszonen 6, 8 erzeugt, die beide Sensorschleifen 15, 16 umfassen. Die sich gegenüberliegenden Enden 15.3, 15.4; 16.3, 16.4 der beiden Sensorelemente 15.1 , 15. 2; 16.1 , 16.2 einer Sensorschleife 15, 16 bilden damit immer ein Endenpaar, dem ein Sendeelement 17 zugeordnet ist. Jedem Ende 15.3, 15.4; 16.3, 16.4 des Sensorelementes 15.1 , 15.2; 16.1. 16.2 ist dabei ein separater Empfänger 18, 19 zum Empfang der reflektierten Impulse zugeordnet. Im vorliegenden Fall werden durch das Sendeelement in ein Endenpaar 15.3, 15.4; 16.3, 16.4 jeweils zwei Impulse in entgegengesetzte Richtung eingekoppelt, die von der in dem entsprechendem Sensorelement 15.1 , 15.2; 16.1 , 16.2 entstandenen Sättigungszone 6, 8 zurückreflektiert wer- den. Bei der Verwendung von zwei Sensorschleifen 15, 16 zur Positionsmessung ist ein redundantes System gegeben. In Fig. 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen 360° Sensor gezeigt. Dabei zeigt Fig. 10a noch einmal das bereits in Zusammenhang mit Fig. 9 erläuterte redundante System, bei welchem der Sättigungszonen 6, 8 außerhalb von den Enden 15.3, 15.4; 16.3, 16.4 der Sensorelemente 15.1 , 15.2; 16.1 , 16.2 liegen. Liegen allerdings, wie in Fig. 10b dargestellt, die Sättigungszonen 6, 8 auf der Höhe des Sendeelementes 17, wie es für die innere Sensorschleife 16 gekennzeichnet ist, so werden die Impulse des Sendeelementes 17 nicht reflektiert, da jeder Impuls sofort von dem Empfänger 18, 19 wahr genommen wird. Die innere Sensorschleife 16 kann somit nicht zur Messung genutzt werden. Nur mittels der äußeren Sensorschleife 15 kann eine Position des sich drehenden Bauteiles bestimmt werden.

Um Totzonen zu vermeiden, ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Sensorstruktur 4 in Fig. 11 dargestellt. Dabei besitzt sowohl die äußere 20 als auch die innere Sensorschleife 21 nur ein gebogenes Sensorelement, wobei jedes Sensorelement aber mehr als 180° überlappt. Die in entgegengesetzte Richtung weisenden Enden 20.1 ; 21.1 von innerem und äußerem Senso- relement 20, 21 werden dabei von jeweils nur einer Sendeeinheit 17 gespeist. Die sich gegenüberliegenden Sättigungszonen 6, 8 umfassen einmal nur die innere Sensorschleife 21 (Sättigungszone 8) und einmal nur die äußere Sensorschleife 20 (Sättigungszone 6), wie es in Fig. 11 a dargestellt ist. Bei dieser Anordnung können sowohl die äußere als auch die innere Sensorschleife 20, 21 in beide Richtungen messen, woraus sich eine zuverlässige Positions- bestimmung ergibt. Bei der in Fig. 1 1 b gezeigten Struktur ist die jeweilige Sättigungszone 6, 8 einmal direkt hinter dem Empfänger 18 der inneren Sensorschleife 21 und einmal direkt hinter dem Empfänger 19 der äußeren Sensorschleife 20 ausgebildet, wobei die Sättigungszonen 6, 8 sowohl die innere und die äußere Sensorschleife 20, 21 überdecken. Dies hat den Effekt, dass sowohl die innere als auch die äußere Sensorschleife 20, 21 nur in eine Richtung mes- sen können, da durch die jeweilige Sättigungszone 6, 8 die Sendeeinheit 17 geblockt wird. Die Einkoppelung durch die Sendeeinheit 17 erfolgt hierbei nur an einem Ende der äußeren Sensorschleife 20 und am entgegengesetzten Ende der inneren Sensorschleife 21. Voraussetzung für die Messung mittels einer solchen Sensorstruktur ist, dass die beiden Sensorschleifen 20, 21 immer größer ausgebildet sind als die Sättigungszonen 6, 8.

In Fig. 12 sind zwei Ausführungsbeispiele für eine magnetostriktive Sensorstruktur 22, 23 zur Verlängerung des Impulslaufweges dargestellt. Da die Laufzeit sich allgemein im Nanosekun- denbereich bewegt, ist es meistens schwierig die kurze Zeit entsprechend auszuwerten. Die Auswertung wird verbessert, wenn der Laufweg verlängert wird. Dies erfolgt durch die Ausge- staltung der Sensorschleife 22 als Mäanderstruktur, welche eine kontinuierliche Verlängerung der Sensorschleife 22 ermöglicht. In Fig. 12b ist eine mäanderförmige Sensorschleife 23 dar- gestellt, mittels welcher diskrete Impulse erzeugt werden können. Durch die Laufzeitverlängerung wirkt sich die Toleranz der Zeitmessung weniger auf den Signalfehler aus.

Mit Hilfe der vorgeschlagenen Lösung wird eine Winkelmessung eines sich drehenden Bautei- les ermöglicht, bei welcher durch Varianten der beiden Sättigungszonenbreiten die Toleranz der Magnetfeldstärke, des Abstandes zwischen Magnet und Sensorstruktur, Taumeln des Magnetringes und Temperaturänderungen unberücksichtigt bleiben können.

Bezugszeichenliste magnetostriktiver Wegaufnehmer

Einkoppel- und Messpunkt

Einkoppel- und Messpunkt

Magnetostriktive Sensorstruktur

Permanentmagnet

Sättigungszone

Einkoppel- und Messpunkt

Sättigungszone

Leiterplatte

Blockmagnet

Blockmagnet

Drehachse

Chip

Elektronische Baueinheit

Sensorschleife

1 Sensorelement

Sensorelement

Ende des Sensorelementes

Ende des Sensorelementes

Sensorschleife

1 Sensorelement

Sensorelement

3 Ende des Sensorelementes

Ende des Sensorelementes

Sendeeinheit Empfänger

Empfänger

Sensorschleife

Sensorschleife

Magnetostriktive Sensorstruktur Magnetostriktive Sensorstruktur