Beschreibung Verfahren zur kontaktlosen, linearen Positionsmessung Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensorzeile zur Positi- onserfassung mit mindestens zwei Magnetfeldsensoren, die ein Magnetfeld detektieren und Signale abgeben, welche jeweils einen Maximalwert, einen Minimalwert und einen dazwischenlie- genden Halbpegel aufweisen, und auf ein Verfahren zur kon- taktlosen, linearen Positionsmessung zwischen zwei Bauteilen, mit der Verwendung zweier an einem ersten Bauteil befestigten Magnetfeldsensoren, die ein Magnetfeld detektieren und Signa- le abgeben, welche einen Maximalwert, einen Minimalwert und einen dazwischenliegenden Halbpegel aufweisen.

Das Prinzip solcher Sensoranordnungen ist im Stand der Tech- nik zur kontaktlosen Positionsmessung bekannt. Dabei wird die Magnetfeldmessung eingesetzt, um durch Relativbewegungen zwi- schen Permanentmagnet und Magnetfeldsensor ein Abstandssignal zur Positionsmessung zu gewinnen. Ein Beispiel für eine sol- che Anwendung findet sich in der WO 00/09972, bei der ein Magnetfeldsensor als Positionssensor für einen elektromecha- nischen Stellantrieb für Gaswechselventile einer Brennkraft- maschine eingesetzt wird.

Der Messbereich, der mit einem solchen Messverfahren abge- deckt werden kann, hängt regelmäßig von den Eigenschaften des Magnetfeldsensors sowie des Permanentmagneten ab. Dabei ist die erreichbare Ortsauflösung gegenläufig zum Messbereich. Um bei gleichbleibender Auflösung einen größeren Messbereich ab- decken zu können, ist es bekannt, mehrere Sensoren entlang einer Längsachse aufzureihen, so dass eine Sensorzeile erhal- ten wird.

Die in solchen Sensorzeilen verwendeten Magnetfeldsensoren sind insbesondere in Ausführungen verfügbar, bei denen in ei- nem Nahbereich zwischen zwei Endpositionen das vom Magnetsen-

sor abgegebene Signal annähernd linear verläuft, wodurch eine hohe Auflösung des Messsignals und eine präzise Positionsbe- stimmung möglich ist. Bei derartigen linearen Magnetfeldsen- soren ist der Permanentmagnet in der Regel stabförmig ausge- bildet. Er kann so ausgerichtet werden, dass seine Magnetach- se senkrecht zur Bewegungsrichtung, mit der der Permanentmag- net über den Magnetfeldsensor bewegt wird, liegt.

Magnetsensoranordnungen zur Positionsmessung haben den Vor- teil, dass nur geringer baulicher Aufwand nötig ist, insbe- sondere können die Sensoren und Permanentmagneten sehr klein gehalten werden. Darüber hinaus sind sie sehr robust und ins- besondere verschmutzungsunanfällig. Zur Auswertung wird nor- malerweise das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors, insbe- sondere wenn es, wie bei einem linearen Sensor, proportional zur gemessenen Feldstärke ist, mittels einer festen Kalibra- tionskurve innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereiches, der im wesentlichen den vorerwähnten linearen Zusammenhang wie- dergibt, umgesetzt. Zur Auswertung der Magnetfeldsensoren ei- ner Sensorzeile wird dabei jeweils so zwischen den Signalen der einzelnen Magnetfeldsensoren umgeschaltet, dass das Sig- nal eines jeden Sensors im Bereich optimaler Auflösung und Signalstärke ausgewertet wird.

Dabei müssen jedoch Signalschwankungen durch Einbautoleranzen hinsichtlich der gegenseitigen Lage von Permanentmagnet und Magnetfeldsensor so gering wie möglich gehalten werden, da die Signale der Magnetfeldsensoren stark vom Abstand des Per- manentmagneten abhängen, mit dem dieser über die Sensorzeile geführt wird. Auch sind Magnetfeldmessungen bei Anwendungen, bei denen starke Temperaturunterschiede auftreten können, nicht besonders vorteilhaft, da Temperaturänderungen zum ei- nen in der Regel eine Änderung des Abstandes zwischen Magnet- feldsensor und Permanentmagnet mit sich bringen und zum ande- ren die Koerzitivkraft der meisten Permanentmagneten stark von der Temperatur abhängt. Für Anwendungen, bei denen die dadurch bedingten Fehler nicht tolerierbar sind, bzw. bei de-

nen deren Vermeidung zu unverhältnismäßig hohen Kosten führen würde, sind andere Sensoren bekannt, beispielsweise mit opti- schen Sensorkonzepten. Diese sind jedoch in der Regel teurer und haben andere Nachteile, wie Verschmutzungsanfälligkeit.

Auch ist es möglich, nach Temperaturmessungen eine Fehlerkor- rektur vorzunehmen. Dies ist aber ebenfalls aufwendig.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einer kontaktlosen Positionsmessung der eingangs erwähnten Art mit zwei Magnetfeldsensoren die Messgenauigkeit zu steigern und die erwähnten Fehlereinflüsse hinsichtlich Temperaturabhän- gigkeit und mechanischer Bauteiletoleranzen zu verringern.

Diese Aufgabe wird mit Hilfe einer Sensorzeile zur kontaktlo- sen, linearen Positionsmessung mit mindestens zwei Magnet- feldsensoren, die ein Magnetfeld detektieren und die Signale abgeben, welche einen Maximalwert, einen Minimalwert und ei- nen dazwischenliegenden Halbpegel aufweisen, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Magnetfeldsensoren so beabstandet sind, dass ein Magnetfeldsensor einen Maximalwert abgibt, wenn der unmittelbar benachbarte Magnetfeldsensor ein Signal mit Halbpegel abgibt.

Diese Sensoranordnung ermöglicht eine besonders vorteilhafte Signalauswertung mit günstigem Signal/Rausch-Verhältnis. Die Staffelung der Magnetfeldsensoren ist erfindungsgemäß nicht mehr von der bloßen Ausdehnung der Sensoren abhängig, wie man eigentlich erwarten würde, sondern wird auf das von den Sen- soren abgegebene Signal bezogen. Mithin spielen die Empfind- lichkeit der Magnetfeldsensoren und die Ausdehnung sowie die Feldstärke der Magnetfeldquelle eine Rolle. Die Beabstandung der Magnetfeldsensoren ist somit vorzugsweise anwendungsab- hängig zu wählen.

Die Magnetfeldsensoren der erfindungsgemäßen Sensorzeile kön- nen prinzipiell auf unterschiedlichste Magnetfeldquellen ab- gestimmt sein. Dazu eignen sich sowohl bereits vorhandene

Magnetfeldquellen als auch speziell zu Messzwecken eingerich- tete. Vorteilhaft und wirtschaftlich ist es, wenn die Magnet- feldsensoren einer Sensorzeile, die an einem ersten Bauteil befestigbar ist, auf einen an einem zweiten Bauteil befestig- ten Permanentmagneten eingestellt sind und Signale abgeben, die von dessen Lage abhängig sind. Vorteilhaft ist es, dass die Beabstandung der Magnetfeldsensoren in der Sensorzeile passend zur Ausdehnung der Magnetfeldquelle, beispielsweise eines Permanentmagneten, gewählt wird.

Prinzipiell sind für die erfindungsgemäße Sensorzeile alle geeigneten Magnetfeldsensoren tauglich, die ein entsprechen- des Signal abgeben, das zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert mit dazwischenliegendem Halbpegel schwankt, wenn der Permanentmagnet über die Magnetfeldsensoren geführt wird.

Besonders hohe Messgenauigkeiten ergaben sich mit linearen Hallsensoren, weshalb es zu bevorzugen ist, lineare Hallsen- soren als Magnetfeldsensoren zu verwenden.

Die Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Verfahren zur kon- taktlosen, linearen Positionsmessung unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Sensorzeile, bei dem die Signale zweier un- mittelbar benachbarter Magnetfeldsensoren dividiert und vom Ergebnis der Arcus-Tangens gebildet wird als ein Abstandssig- nal, das die seitliche Lage des Permanentmagneten bezüglich der beiden Magnetfeldsensoren, deren Signale dividiert wer- den, wiedergibt.

Die Erfindung erreicht dann ohne Rückgriff auf externe Kenn- linien oder weitere Sensorik eine weitgehende Unabhängigkeit hinsichtlich Temperatur-oder mechanischer Dejustagefehler.

Überraschenderweise zeigte sich, dass die erfindungsgemäße Rechenregel für das erste und das zweite Magnetfeldsensorsig- nal über einen relativ großen Arbeitsbereich eine gerade Kennlinie ergibt, die so gut wie vollständig unabhängig vom Abstand zwischen Permanentmagnet und Magnetfeldsensor ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich weiter der Vorteil, dass unabhängig von der örtlichen Lage der Magnet- feldquelle sofort nach Aufnahme des Verfahrens ein gültiges Signal vorliegt. Eine vorherige Bewegung der Magnetfeldquel- le, beispielsweise über den kompletten Messbereich eines Mag- netfeldsensors, wie beim Stand der Technik, ist nicht erfor- derlich. Das erfindungsgemäße Verfahren erreicht also soge- nannte"True Power On"Eigenschaften, was insbesondere bei automobilen Anwendungen äußerst vorteilhaft ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann weiter der Aufwand, der zur genauen Justage des Abstandes zwischen Magnetfeld- quelle und den Magnetfeldsensoren erforderlich ist, stark vermindert werden, wodurch der Anwendungsbereich für derarti- ge kontaktlose Positionsmeßsysteme stark vergrößert wird.

Darüber hinaus sinkt die Fehlerempfindlichkeit auf Bewegungen der Magnetfeldquelle, die nicht parallel zu der Ebene verlau- fen, in der sich der Magnetfeldsensor befindet. Somit sind durch das erfindungsgemäße Verfahren Magnetfeldmessungen nun nicht nur für geradlinige Bewegungen, sondern auch für leicht bogenförmige oder schräg verlaufende Bewegungen tauglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert in einem gewissen Ar- beitsbereich einen linearen Zusammenhang zwischen dem errech- neten Abstandssignal und der Position der Magnetfeldquelle bezüglich der Magnetfeldsensoren. Zur Vergrößerung des Ar- beitsbereiches können drei oder mehrere Magnetfeldsensoren gestaffelt werden, um einen größeren Messbereich abzudecken.

Dabei werden jeweils zwei Abstandssignale aus den Signalen zweier benachbarter Magnetfeldsensoren gebildet und in einer Hysterese ausgewertet. Somit kann durch eine Sensorzeile, in der mehr als zwei Magnetfeldsensoren entlang einer Längsachse beabstandet aufgereiht sind, auf der sich die Magnetfeldquel- le bewegt, ein nahezu beliebig großer Messbereich abgedeckt werden. Damit werden die Vorteile des erfindungsgemäßen Mess-

verfahrens auch über eine große Messstrecke, die größer als der Arbeitsbereich zweier Magnetfeldsensoren ist, ausgenutzt.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhalber noch näher erläutert. In der Zeich- nung zeigt : Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Sensorzeile zur kontaktlosen Positionsmessung, Fig. 2 eine Kurvenschar eines Magnetfeldsensors, über den in verschiedenen Abständen ein Permanentmagnet geführt wird, Fig. 3 Kurvenscharen zweier beabstandeter Magnetfeldsenso- ren, über die in verschiedenen Abständen ein Permanentmagnet geführt wird, Fig. 4 Beispiele für die Kurven dreier gestaffelter Mag- netfeldsensoren in einer Sensorzeile und Fig. 5 Beispiele für die Auswertung der Abstandsignale zweier benachbarter Magnetfeldsensoren mittels einer Hystere- seschleife.

Eine schematische Darstellung zur kontaktlosen Positionsmes- sung mittels Magnetfeldsensoren, die an einem ersten Bauteil befestigt sind, und einem Permanentmagneten, der an einem re- lativ zum ersten Bauteil beweglichen zweiten Bauteil befes- tigt ist, zeigt Fig. 1. Die dort dargestellte Sensorzeile 1 weist mehrere lineare Hallsensoren 2a, 2b und 2c auf, die in einem Sensorabstand d zueinander auf der Sensorzeile befes- tigt sind. Die Sensorzeile 1 ist an einem (nicht dargestell- ten) ersten Bauteil angebracht.

Über der Sensorzeile 1 bewegt sich in Längsrichtung x ein Permanentmagnet 3. Der Permanentmagnet 3 ist an einem (nicht dargestellten) zweiten Bauteil befestigt, das sich gegenüber

dem ersten Bauteil in Längsrichtung x verschiebt. Zwischen Permanentmagnet 3 und der Sensorzeile 1 befindet sich ein Luftspalt h, dessen Abmessung bauteiletoleranz-und tempera- turabhängig ist. Der Permanentmagnet 3 ist mit seiner Magne- tisierungsachse zwischen Nordpol N und Südpol S parallel zur Längsrichtung x ausgerichtet, kann aber je nach Messaufgabe auch anders liegen. Jeder Hallsensor 2a bis 2c misst das Mag- netfeld des Permanentmagneten 3.

In Fig. 1 ist eine Sensorzeile 1 mit mehreren Hallsensoren 2a bis 2c dargestellt. Es können auch nur zwei Hallsensoren 2a und 2b verwendet werden, falls der Messbereich, über den eine Verschiebung zwischen Permanentmagnet 3 und Hallsensor 2a und 2b in Längsrichtung x erfasst werden soll, ausreichend gering ist.

Das von jedem Hallsensor 2a bis 2c abgegebene Sensorsignal S ist in Fig. 2 in einer Kurvenschar 4 dargestellt. Das Signal S ist in Fig. 2 als Funktion der Längsrichtung x aufgetragen und von einem Sensor gewonnen, der eine Spannung zwischen 0 und 5 Volt abgibt.

Die Kurvenschar 4 enthält verschiedene Sensorsignale S, wobei der Luftspalt h der Scharparamenter ist.

Wie man sieht, weist jedes Sensorsignal S der Kurvenschar 4 einen Maximalwert 6 sowie einen Minimalwert 7 auf. Zwischen Maximalwert 6 und Minimalwert 7 liegt ein Halbpegel 8. Dieser Halbpegel 8 wird dann eingenommen, wenn der Permanentmagnet 3 genau mittig über dem Hallsensor 2 liegt. Die Amplitude zwi- schen Maximalwert 6 und Minimalwert 7 hängt von der Größe des Luftspaltes h ab. Sie nimmt von einem Luftspalt h = 10 mm, dem flachsten Sensorsignal S der Kurvenschar 4, bis h = 3 mm, den am steilsten verlaufenden Sensorsignal S der Kurvenschar 4, zu. Alle Kurvenscharen haben jedoch den Maximalwert 6 und den Minimalwert 7 sowie den Halbpegel 8 in Längsrichtung x am selben Ort.

Die Kurvenscharen 4a und 4b der zwei Hallsensoren 2a und 2b bei verschiedenen Größen des Luftspalts h, also verschiedenen Abständen des Permanentmagneten 3 von den Hallsensoren 2a bis 2c, zeigt Fig. 3. Dabei ist der Abstand d der Hallsensoren so gewählt, dass die Kurvenschar 4a des Hallsensors 2a den Maxi- malwert 6 jeweils genau dann zeigt, wenn das vom Hallsensor 2b abgegebene Signal genau Halbpegel hat.

Fig. 4 verdeutlicht die Verhältnisse bei drei Sensoren 2a bis 2c für einen konstanten Wert des Luftspalts h. Die Maximal- werte 6a bis 6c weisen wie die Minimalwerte 7a bis 7c und die Halbpegel 8a bis 8c voneinander einen konstanten Abstand ent- sprechend dem Abstand d der Sensoren 2a bis 2c auf. Der Ab- stand d der Hallsensoren 2a bis 2c ist so, dass der Hallsen- sor 2a einen Maximalwert 6a abgibt, wenn die Kurve 4b des folgenden Hallsensors 2b den Halbpegel 8b erreicht, und deren Maximalwert 6b in Längsrichtung x ihrerseits mit dem Halbpe- gel 8c der Kurve 4c des Hallsensors 2c zusammenfällt.

Der Luftspalt h ist für die Einbaujustierung des Permanent- magneten 7 bezüglich der Sensorzeile 1 ein kritisches Maß.

Durch Temperatureinflüsse ändert sich jedoch der Luftspalt h.

Darüber hinaus ergibt sich eine weitere Abhängigkeit des Sen- sorsignals S von der Koerzitivkraft des Permanentmagneten 3, welche in der Regel ebenfalls temperaturabhängig ist. Deshalb wird zur Auswertung der Quotient zweier Sensorsignale S, z. B. der Hallsensoren 2a und 2b bestimmt, und davon der Arcus- Tangens T als Abstandssignal berechnet.

Mit diesem Abstandssignal ist eine Größe gewonnen, die eine Auswertung des Signals der Hallsensoren 2a und 2b erlaubt, welche weitestgehend unabhängig vom Luftspalt h und von et- waigen Temperatureinflüssen ist.

Das Auswertesignal hat, wie die Auswertekurve 9ab in Fig. 5 zeigt, einen Arbeitsbereich a mit nahezu konstanter Steigung.

Wird nun der Messbereich durch den Einsatz von mehr als zwei Magentfeldsensoren erweitert, erhält man bei vorbeschriebenem Abstand d der Sensoren 2 Auswertekurven 9ab und 9bc, mit sich in Längsrichtung x über einen weiten Bereich überlappenden Arbeitsbereichen a. Die Überlappung wird in Form einer Hyste- rese beim Übergang zwischen den einzelnen Kennlinien 9ab und 9bc der Kurven 4a, 4b und 4c der einzelnen Hallsensoren 2a, 2b und 2c ausgenutzt.

Die Hysterese entsteht dadurch, dass bei in zunehmender Längsrichtung x verlaufender Bewegung etwa ab der Mitte des Arbeitsbereiches a der Auswertekurve 9ab auf die anschließen- de Auswertekurve 9bc gesprungen wird. Bei einer gegenläufigen Bewegung in abnehmender Längsrichtung x wird etwa ab der Mit- te des Arbeitsbereiches der jeweiligen Kennlinie auf die nächste Kennlinie gesprungen werden.

Die im Bereich des Überlappens der Auswertekurven 9ab, 9bc ausgeführte Hysterese erlaubt eine eindeutige Zuordnung des Sensorsignals und vermeidet uneindeutige Zuweisungen am Sprungpunkt.