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Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen planaren Direktantrieb (auch Planarmotor genannt) mit einer verbesserten Positionsbestimmung sowie eine Sensoreinheit für diese Positionsbestimmung. Für derartige Antriebe wird zunehmend das Prinzip der variablen bzw. geschalteten Reluktanz genutzt. Solche Direktantriebe besitzen eine Passiveinheit mit einer planen Lauffläche, in welche Magnetflussbereiche integriert sind. Diese Passiveinheit bildet den Stator des Motors. Außerdem ist mindestens eine Aktiveinheit (Läufer) mit Spulenkörpern zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses vorgesehen, welche sich auf der Lauffläche der Passiveinheit bewegen kann. Darüber hinaus umfasst der Direktantrieb eine Lagereinheit, die reibungsarme zweidimensionale Bewegungen zwischen Aktiv- und Passiveinheit ermöglicht.

Aus der US 2005/0248217 A1 ist ein zweidimensionaler Planar motor bekannt, bei welchem der Stator als eine Platte mit einer Vielzahl von Eisenzähnen ausgeführt ist. Die Eisenzähne weisen eine Würfelform auf und sind regelmäßig zeilen- und spaltenweise angeordnet. Die Zahnlücken bilden zeilen- und spaltenweise durchgängig verlaufende Nuten aus, deren Breite der Kantenlänge der Würfelform der Eisenzähne gleicht. Über dem Stator befindet sich eine bewegliche Plattform, auf der Magnetspulen in zwei Zeilen angeordnet sind. Die bewegliche Plattform wird durch eine in zwei Richtungen verschiebbare Haltekonstruktion so gehalten, dass die Pole der Magnetspulen mit einem Luftspalt den Eisenzähnen gegenüberstehen. Der Antrieb der beweglichen Plattform beruht auf dem Prinzip der variablen Reluktanz. Die Bestromung der Spulen wird abhängig von der xy-Position mit einem Computer gesteuert. Zur Bestimmung der xy-Position dienen ein Sensor für die x-Richtung und ein Sensor für die y-Richtung, welche seitlich außerhalb des Stators angeordnet sind und sich über die gesamte Ausdehnung des Stators erstrecken. Es bedarf konstruktiver Hilfsmittel an der Haltekonstruktion, um die xy-Position der beweglichen Plattform exakt auf die Sensoren zu übertragen. Nachteilig an dieser Lösung ist der hohe Aufwand für eine genaue Bestimmung der xy-Position der beweglichen Plattform.

Aus der DE 100 14 982 A1 ist es bekannt, magnetoresistive Sensoren, wie AMR- oder GMR-Sensoren, zur Bestimmung der Position eines Rotors einer geschalteten Reluktanzmaschine zu nutzen. Die magnetoresistiven Sensoren befinden sich zwischen den Statorpolen und stehen den rotierenden Rotorpolen gegenüber. Bei der Anwendung dieses Prinzips zur Positionsbestimmung auf einen Planarmotor besteht das Problem, dass in allen Zahnlücken des Stators ein magnetoresistiver Sensor angeordnet sein müsste, was jedoch zu einem zu hohen Aufwand führen würde. Wenn alternativ ein magnetoresistiver Sensor an der Aktiveinheit des Planarmotors angebracht wird, besteht das Problem darin, dass bei bestimmten Verfahrwegen der Sensor über durchgängig verlaufende Nuten des Stators bewegt wird, sodass die Wirkung der angrenzenden Eisenzähne zu gering oder verfälscht ist.

Untersuchungen zur Anwendung herkömmlicher magnetoresistiver Sensoren an Planarmotoren haben außerdem gezeigt, dass die auftretenden Positionsfehler beim Verfahren im Bereich einer durchgehenden Nut aus Zahnlücken nicht mit den Positionsfehlern beim Verfahren im Bereich der Zähne übereinstimmen und auch keine Korrelation erkennbar ist. Damit wird eine exakte Positionsbestimmung auf einem Planarmotor mit Hilfe dieses Messprinzips selbst bei rechnerischer Fehlerminimierung unmöglich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen planaren Direktantrieb mit einer verbesserten Positionsbestimmung der Aktiveinheit sowie eine geeignete magnetfeldsensitive Sensoreinheit für diese Positionsbestimmung bereitzustellen. Die Positionsmessung soll ohne zusätzliche Hilfsmittel am Stator mit einer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit möglich sein können.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen planaren Direktantrieb gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Sensoreinheit gemäß dem nebengeordneten Anspruch 5, wobei an der Sensoreinheit mindestens zwei Sensoren angeordnet sind, deren Abstand abhängig von der Zahnteilung des Stators zu wählen ist.

Die Erfindung ist für planare Direktantriebe anwendbar, bei denen der Stator magnetisierbare Zähne aufweist, die zumindest in einer Richtung y eine regelmäßige Teilung aufweisen. An der Aktiveinheit ist eine Sensoreinheit mit Sensoren und einem oder mehreren Dauermagneten angeordnet, die zumindest einen unter den Sensoren befindlichen magnetisierbaren Zahn magnetisieren. Die Sensoren sind geeignet, das durch den magnetisierten Zahn ausgebildete Magnetfeld zu detektieren.

Infolge der regelmäßigen Teilung der magnetisierbaren Zähne weisen sowohl die Zähne als auch die Lücken zwischen den Zähnen eine Länge l in der y-Richtung auf. Erfindungsgemäß sind die Sensoren so angeordnet, dass bei einem Verfahren der Aktiveinheit senkrecht zur y-Richtung immer mindestens einer der Sensoren über Zähne und Zahnlücken verfahren wird, sodass dieser Sensor geeignet ist, die Verfahrstrecke in diese Richtung zu messen. Einer oder mehrere der anderen Sensoren werden bei einem solchen Verfahrweg nicht über eine Zahnteilung verfahren, sodass sie nicht geeignet wären, die Verfahrstrecke in diese Richtung zu messen. Die erfindungsgemäße Anordnung der Sensoren muss für eine Anzahl &agr; > 1 an Sensoren realisiert sein, wobei die Anzahl &agr; vorzugsweise zwei oder drei ist. Für den Abstand dieser &agr; Sensoren in y-Richtung ist jeweils ein ungeradzahliges Vielfaches von 2·l/&agr; zu wählen. Bei einer Ausführungsform mit &agr; = 2 Sensoren ist deren Abstand in y-Richtung gleich einem ungeradzahligen Vielfachen der Länge l zu wählen. Bei einer Ausführungsform mit &agr; = 3 Sensoren ist deren Abstand in y-Richtung jeweils gleich einem ungeradzahligen Vielfachen von 2·l/3 zu wählen. Die Erhöhung der Anzahl &agr; ermöglicht eine höhere Genauigkeit und eine höhere Zuverlässigkeit der Positionsbestimmung.

Folglich besteht ein besonderer Vorteil der Erfindung darin, dass eine erfindungsgemäße Sensoreinheit zur Positionsbestimmung an unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und Zuverlässigkeit angepasst werden kann.

Als Sensoren eignen sich magnetoresistive Sensoren, wobei GMR-Sensoren besonders bevorzugt sind, da sie sehr empfindlich für unterschiedlich ausgerichtete Magnetfelder sind.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist für planare Direktantriebe anwendbar, bei denen der Stator in beiden Richtungen x und y eine regelmäßige Zahnteilung aufweist. Die magnetisierbaren Zähne weisen eine quadratische Grundfläche der Seitenlänge l auf. Die Lücken zwischen zwei Zähnen weisen in beiden Richtungen x, y ebenfalls eine konstante Länge l auf, wobei dadurch in beiden Richtungen x, y durchgängig verlaufende Nuten der Breite l gebildet sind. Die erfindungsgemäße Anordnung der Sensoren ist vorzugsweise sowohl in x- als auch in y-Richtung realisiert, sodass bei beliebigen Verfahrwegen gewährleistet ist, dass in beiden Richtungen x und y immer ein Sensor über eine Zahnteilung verfahren wird und so zur Messung der Weglänge geeignet ist.

Eine erfindungsgemäße Sensoreinheit ist zur Positionsbestimmung über einer beliebigen Oberfläche mit magnetisierbaren und nichtmagnetisierbaren Bereichen geeignet, wobei die magnetisierbaren und nichtmagnetisierbaren Bereiche jeweils die Länge l in zumindest der y-Richtung aufweisen.

Weitere besondere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrere Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

1 zwei Ansichten eines Stators und einer Sensoreinheit einer einfachen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen planaren Direktantriebes;

2 einen Stator und eine Sensoreinheit einer abgewandelten Ausführungsform des planaren Direktantriebes;

3 eine Perspektivansicht einer Sensoreinheit einer bevorzugten Ausführungsform des planaren Direktantriebes;

4 einen Stator und eine Sensoreinheit einer weiteren abgewandelten Ausführungsform des planaren Direktantriebes;

5 zwei Ansichten eines Stators und einer Sensoreinheit einer weiteren Ausführungsform des planaren Direktantriebes.

1 zeigt zwei Ansichten eines Stators 01 und einer Sensoreinheit 02 einer einfachen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen planaren Direktantriebes. Abbildung a) der 1 zeigt eine Vorderansicht des Stators 01 und der Sensoreinheit 02. Abbildung b) der 1 zeigt eine Draufsicht auf den Stator 01. Der plane Stator 01 umfasst viele regelmäßig angeordnete Eisenzähne 03, welche sich über die Reichweite des planaren Direktantriebes erstrecken. Die Eisenzähne 03 haben eine Quaderform mit einer vorzugsweise quadratischen Grundfläche. Die quadratische Grundfläche der Eisenzähne 03 hat eine Seitenlänge l. Die Eisenzähne 03 sind zeilenweise und spaltenweise mit Zahnlücken 04 der Länge l zwischen den Eisenzähnen 03 angeordnet. Folglich sind die Zahnlücken 04 ebenfalls zeilen- und spaltenweise ausgebildet und bilden Nuten der Breite l. Die Zahnlücken 04 sind mit Luft oder einem anderen nicht magnetisierbaren Stoff gefüllt. Beispielsweise können die Lücken mit einem Kunstharz verfüllt werden, um eine geschlossene Oberfläche auf dem Stator als Lauffläche zu erhalten. Die Eisenzähne 03 der Stators 01 können durch ein zeilen- und spaltenweises Ausfräsen von Nuten der Breite l aus einem Eisenquader gefertigt werden. Alternativ können die Eisenzähne 03 einzeln gefertigt und auf eine Grundplatte des Stators 01 aufgebracht werden. Der Stator 01 kann aus Eisen oder einem anderen magnetisierbaren Stoff bestehen. Von der quadratischen Grundfläche der Eisenzähne 03 kann fertigungs- oder produktbedingt insoweit abgewichen werden, dass deren magnetische Eigenschaften in Bezug auf ihre Ausdehnung l wirksam bleiben. Folglich können Kantenabschrägungen, kleine Ausnehmungen o. ä. an den Eisenzähnen 03 des Stators 01 vorgenommen werden. Die Ausbildung der Breite l der Eisenzähne 03 und der Zahnlücken 04 hat ebenfalls derart zu erfolgen, dass diese hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften der Eisenzähne 03 und der Zahnlücken 04 wirksam ist. Folglich können abhängig vom planaren Direktantrieb Toleranzen von l akzeptabel sein, die größer als die Fertigungstoleranzen sind.

Der planare Direktantrieb besitzt außerdem eine Aktiveinheit (nicht gezeigt), die in mindestens zwei Bewegungsrichtungen x und y in einer Ebene parallel zur planen Ebene des Stators 01 verfahren werden kann. In der Aktiveinheit befinden sich mehrere Spulen, deren Eisenkerne den Eisenzähnen 03 gegenüberstehen. Um trotz der magnetischen Anziehungskräfte zwischen der Aktiveinheit und dem Stator 01 eine Bewegung zu ermöglichen, ist eine Lagereinheit erforderlich, durch welche ein Lagerspalt während des Betriebs des Direktantriebs aufrechterhalten wird. Vorzugsweise eignen sich dafür Luftlager, die zwischen den Eisenzähnen 03 des Stators 01 und der Aktiveinheit einen Luftspalt erzeugen. Die Spulen der Aktiveinheit werden entsprechend der gewünschten Bewegungsrichtung bestromt, wobei ein Antrieb der Aktiveinheit gemäß dem Prinzip der variablen bzw. geschalteten Reluktanz erzielt wird. Der Stator 01 stellt eine Passiveinheit dar. Die Passiveinheit muss nicht grundsätzlich ortsfest sein.

Die Sensoreinheit 02 ist an der Aktiveinheit befestigt. Die Sensoreinheit 02 umfasst einen Dauermagneten 06 mit einer Magnetisierungsrichtung 07. Der Dauermagnet 06 ist in etwa so breit wie die Länge l der Eisenzähne 03 und Zahnlücken 04, und mindestens ebenso lang ausgeführt. Dadurch befindet sich zumindest immer einer der Eisenzähne 03 im Wirkungsbereich des Magnetfeldes des Dauermagneten 06 unabhängig davon, an welcher Position sich die Aktiveinheit mit der Sensoreinheit 02 über dem Stator 01 befindet. Derjenige oder diejenigen Eisenzähne 03, die sich im Wirkungsbereich des Dauermagneten 06 befinden, beeinflussen den Verlauf des vom Dauermagneten 06 erzeugten Magnetfelds. Am Dauermagneten 06 sind zwei Sensoren 08 angebracht, welche sich jeweils in einem Sensorgehäuse 09 befinden: Bei den Sensoren 08 handelt es sich um GMR-Sensoren. Ein GMR-Sensor nutzt den Giant-Magneto-Resistive-Effekt, wodurch er auch empfindlich für die Richtung des einwirkenden Magnetfeldes bzw. Richtungsänderungen ist. Wenn sich die Aktiveinheit an einer Position befindet, bei welcher sich der Sensor 08 über einem Eisenzahn 03 befindet, so wirkt das vom Eisenzahnes 03 beeinflusste Magnetfeld auf den Sensor 08 ein. Das Magnetfeld wirkt aus einer anderen Richtung auf den Sensor 08 ein, als wenn das Magnetfeld des Dauermagneten 06 nicht durch den Eisenzahn abgelenkt wäre. Befindet sich hingegen der Sensor 08 über einer der Zahnlücken 04, so wirkt nur das Magnetfeld des Dauermagneten 06 auf den Sensor 08 ein bzw. ein erkennbar weniger abgelenktes Magnetfeld. Folglich kann mit Hilfe des GRM-Sensors 08 unterschieden werden, ob sich der jeweilige Sensor 08 über einem Eisenzahn 03 oder über einer Zahnlücke 04 befindet. Durch eine weiterführende Auswertung der Richtung des am GMR-Sensor 08 einwirkenden Magnetfeldes kann die Position innerhalb der Länge l eines Eisenzahnes 03 bzw. einer Zahnlücke 04 bestimmt werden.

Die beiden Sensoren 08 weisen einen Abstand in y-Richtung auf, der wiederum so groß wie die Länge l der Eisenzähne 03 und Zahnlücken 04 ist. Bewegt sich die Aktiveinheit in y-Richtung bei gleich bleibender Position in x-Richtung, in der Eisenzähne 03 angeordnet sind, so wird sich immer jeweils ein Sensor 08 über einem Eisenzahn 03 und jeweils ein Sensor 08 über einer Zahnlücke 04 befinden. Eine Ausnahme bildet der Grenzfall, wenn beide Sensoren 08 sich an einem Übergang zwischen einem Eisenzahn 03 und einer Zahnlücke 04 befinden. Jedoch ist grundsätzlich gewährleistet, dass sich zumindest ein Sensor 08 im Magnetfeld eines magnetisierten Eisenzahnes 03 befindet. Folglich wird bei einer Bewegung der Aktiveinheit in x-Richtung bei gleich bleibender Position in y-Richtung zumindest immer einer der beiden Sensoren 08 abwechselnd über Eisenzähne 03 und Zahnlücken 04 verfahren. Daher ist immer zumindest ein Sensor 08 zur Bestimmung der Wegstrecke in x-Richtung geeignet.

Die sich in y-Richtung erstreckenden Eisenzähne 03 und Zahnlücken 04 weisen ein periodisches Auftreten mit einer Periodenlänge &lgr; = 2·l auf. Der Abstand zwischen den beiden Sensoren 08 beträgt somit &lgr;/2. Betrachtet man diese Zahnteilung hinsichtlich des periodischen Auftretens der Eisenzähne 03 und Zahnlücken 04, so lässt sich die Sensoranordnung dadurch beschreiben, dass die beiden Sensoren 08 mit einer Phase von 180° angeordnet sind. Erfindungsgemäß kann diese Phase zwischen den beiden Sensoren 180° + n·360° betragen, wobei n eine natürliche Zahl ≥0 ist, das heißt der Abstand beträgt (2n + 1)·l. Wird n > 0 gewählt, ist zu berücksichtigen, dass der Außenbereich des Stators 01 nicht vollständig zum Verfahren der Aktiveinheit genutzt werden kann.

Die in 1 gezeigte einfache Ausführungsform ist für planare Direktantriebe geeignet, bei denen insbesondere eine genaue Positionsbestimmung in einer der Richtungen erforderlich ist oder bei denen gewährleistet ist, dass das Verfahren in die andere Richtung auf Wegen über den Eisenzähnen 03 erfolgt.

2 zeigt den Stator 01 und die Sensoreinheit 02 einer abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen planaren Direktantriebes. Die Sensoreinheit 02 dieser Ausführungsform weist zwei Dauermagneten 06 auf, die jeweils beide dem Stator 01 gegenüberstehen. An jedem der Dauermagneten 06 ist einer der Sensoren 08 in einem Gehäuse 09 angebracht. Der Abstand in y-Richtung zwischen den beiden Sensoren 08 beträgt das Dreifache der Länge l der Eisenzähne 03 und Zahnlücken 04. Die Sensoren 08 haben somit eine Phase von 540° zueinander. Für die Anordnung der Dauermagnete 06 können auch andere Ausführungen gewählt werden, die eine Magnetisierung des unter dem Sensor 08 befindlichen Eisenzahnes 03 ermöglichen. Hierfür können mehrere kleine Einzelmagneten, eine Magnetscheibe oder auch Dauermagneten innerhalb des Sensorgehäuses 09 genutzt werden.

3 zeigt eine Perspektivansicht einer Sensoreinheit 02 einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen planaren Direktantriebes. Der Stator dieses planaren Direktantriebes gleicht dem in 1 gezeigten Stator. Die Sensoreinheit 02 stellt eine erweiterte Ausführung der in 1 gezeigten Sensoreinheit dar. Die Erweiterung besteht aus zwei weiteren Sensoren 08, die in x-Richtung hinter den beiden in

1 gezeigten Sensoren 08 angeordnet sind. In 3 sind nur zwei der vier Sensoren 08 gezeigt, da die beiden anderen Sensoren in dieser perspektivischen Darstellung verdeckt sind. Die nicht gezeigten Sensoren sind in y-Richtung symmetrisch zu den gezeigten Sensoren 08 angeordnet. Folglich beträgt der Abstand der beiden hinteren Sensoren 08 in y-Richtung wiederum die Länge l. Der Abstand der Sensoren 08 in x-Richtung beträgt das Fünffache der Länge l. Durch diese Anordnung der vier Sensoren 08 ist gewährleistet, dass sich immer jeweils mindestens ein Sensor 08 über einem Eisenzahn 03 und jeweils mindestens ein Sensor 08 über einer Zahnlücke 04 befindet. Eine Ausnahme bildet der Grenzfall, wenn sich alle vier Sensoren 08 an einer Ecke eines Eisenzahnes 03 im Übergang zu einer Zahnlücke 04 befinden. Jedoch ist grundsätzlich gewährleistet, dass sich zumindest ein Sensor 08 im Magnetfeld eines magnetisierten Eisenzahnes 03 befindet. Folglich wird auch bei einer Bewegung der Aktiveinheit in y-Richtung an einer beliebigen Position in x-Richtung zumindest immer einer der Sensoren 08 abwechselnd über Eisenzähne 03 und Zahnlücken 04 verfahren. Daher ist immer zumindest ein Sensor 08 zur Bestimmung der Wegstrecke in x-Richtung und zumindest ein Sensor 08 zur Bestimmung der Wegstrecke in y-Richtung geeignet, sodass bei jedem beliebigen Verfahrweg eine genaue Positionsbestimmung in x- und in y-Richtung gewährleistet ist.

Die Wahl des Faktors n zur Festlegung des Abstandes (2n + 1)·l kann wie in der gezeigten Ausführungsform für die x- und y-Richtung unterschiedlich gewählt werden. Der Faktor n kann aber auch für beide Richtungen gleich gewählt werden.

Die in 3 gezeigte Ausführungsform mit vier Sensoren weist den Vorteil auf, dass die Fehler der einzelnen Sensoren 08 im integrierten Gesamtergebnis der Sensoreinheit 02 reduziert sind. Auch ein kurzzeitiger Ausfall eines Sensors 08 kann kompensiert werden.

Die in 3 gezeigte Ausführungsform mit vier Sensoren 08 kann beliebig in x- und y-Richtung erweitert werden, sodass eine Matrix an Sensoren 08 gebildet werden kann. Die Matrix kann quadratisch, z. B. 3 × 3 oder auch ungleichseitig z. B. 6 × 2 sein.

In einer weiteren Ausführungsform, die gegenüber der in 1 gezeigten Ausführungsform abgewandelt ist, weisen die beiden Sensoren 08 auch in x-Richtung einen Abstand der Länge l auf. Folglich wird auch bei einer Bewegung der Aktiveinheit in y-Richtung bei einer beliebigen Position in x-Richtung zumindest immer einer der Sensoren 08 abwechselnd über Eisenzähne 03 und Zahnlücken 04 verfahren. Daher ist die Sensoreinheit dieser Ausführungsform ebenso wie die in 3 gezeigte Ausführungsform zur Bestimmung der Wegstrecke in die x-Richtung und in die y-Richtung geeignet. Erfindungsgemäß können für die Abstände der beiden Sensoren 08 in x-Richtung und in y-Richtung jeweils ein ungeradzahliges Vielfaches der Länge l gewählt werden.

4 zeigt den Stator 01 und die Sensoreinheit 02 einer weiteren abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen planaren Direktantriebes. Die Sensoreinheit 02 dieser Ausführungsform weist drei Dauermagneten 06 auf, die jeweils dem Stator 01 gegenüberstehen. An jedem der Dauermagneten 06 ist ein Sensor 08 in einem Gehäuse 09 angebracht. Der Abstand in y-Richtung zwischen den Sensoren 08 beträgt jeweils zwei Drittel der Länge l der Eisenzähne 03 und Zahnlücken 04. Die Sensoren 08 haben somit eine Phase von 120° zueinander. Es befinden sich immer zwei Sensoren 08 entweder über einem Eisenzahn 03 oder über eine Zahnlücke 04. Ein Grenzfall, bei dem alle Sensoren 08 sich über einem Übergang zwischen einen Eisenzahn 03 und einer Zahnlücke 04 befinden, kann bei dieser Ausführungsform nicht auftreten. Die Verwendung von drei statt zwei Sensoren weist den Vorteil auf, dass die Positionsmessung genauer und mit einer höheren Sicherheit erfolgen kann. Die Phase zwischen den Sensoren 08 kann wie bei der in 2 gezeigten Ausführungsform um 360° oder auch um ein Vielfaches von 360° erhöht sein. Diese Erhöhung kann auch unterschiedlich zwischen den Sensoren 08 gewählt werden.

Um die Genauigkeit der Positionsbestimmung gegenüber der in 4 gezeigten Ausführungsform nochmals zu steigern, kann die Sensoreinheit 02 erfindungsgemäß auch mit vier Sensoren ausgeführt sein, wobei der Abstand in y-Richtung zwischen den Sensoren 08 jeweils die Hälfte der Länge l der Eisenzähne 03 und Zahnlücken 04 beträgt. Die Sensoren 08 haben somit eine Phase von 90° zueinander, welche wiederum um n·360° erhöht sein kann. Die Genauigkeit kann beliebig gesteigert werden, indem die Anzahl &agr; der Sensoren 08 erhöht wird, wobei der Abstand in y-Richtung zwischen den Sensoren 08 jeweils ein ungeradzahliges Vielfaches von 2·l/&agr; beträgt. Eine Steigerung der Genauigkeit in x-Richtung ist in gleicher Weise möglich. Die Anzahl aller in einer Richtung angeordneten Sensoren 08 kann auch größer als &agr; gewählt werden. Beispielsweise können zwei Tripel von Sensoren 08 in einer Richtung angeordnet werden, wobei die Sensoren 08 jedes Tripels einen paarweisen Versatz von 120° aufweisen.

Die Erfindung kann in gleicher Weise für die Positionsbestimmung in einem Linearantrieb genutzt werden. Hierfür werden an der Aktiveinheit mehrere Sensoren angebracht, von denen mindestens eine Anzahl &agr; > l einen paarweisen Abstand in der Verfahrrichtung aufweist, der jeweils ein ungeradzahliges Vielfaches von 2·l/&agr; ist.

Wenn die Seitenlänge der Grundfläche der Eisenzähne 03 von der Länge der Zahnlücken 04 abweicht, ist die Anzahl &agr; größer als 2 zu wählen. Ist beispielsweise die Seitenlänge der Grundfläche der Eisenzähne 03 geringfügig größer als die Länge der Zahnlücken 04, so kann mit Hilfe von drei Sensoren 08 mit einem paarweisen Versatz von 120° gewährleistet werden, dass mindestens immer ein Sensor 08 zur Bestimmung der Wegstrecke in die jeweils andere Richtung geeignet ist. Bei größeren Unterschieden zwischen der Seitenlänge der quadratischen Grundfläche der Eisenzähne 03 und der Länge der Zahnlücken 04 ist die Anzahl &agr; der Sensoren 08 entsprechend größer zu wählen.

Bei Ausführungsformen bei denen die Anzahl &agr; > 2 gewählt wird, können die Abstände zwischen den Sensoren 08 auch mit einer Toleranz von ±l/(2·&agr;) gegenüber dem ungeradzahligen Vielfachen von 2·l/&agr; ausgeführt sein.

5 zeigt den Stator 01 und die Sensoreinheit 02 einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen planaren Direktantriebes. Abbildung a) der 5 zeigt eine Vorderansicht des Stators 01 und der Sensoreinheit 02. Abbildung b) der 5 zeigt eine seitliche Ansicht der Sensoreinheit 02. In der 5 ist jeweils nur einer der Dauermagneten 06 und einer der Sensoren 08 gezeigt. Die anderen Dauermagneten 06 und Sensoren 08 sind in gleicher Weise ausgeführt. Der Dauermagnet 06 und der Sensor 08 sind an einer Zwischenplatine 11 befestigt. Der Sensor 08 ist mit Kontakten 12 elektrisch mit der Zwischenplatine 11 verbunden. Zwischen dem Dauermagneten 06 und dem Sensor 08 ist ein Abstandshalter 13 angeordnet.

Bei dem Dauermagneten 06 handelt es sich um einen Samarium-Cobalt-Magneten des Typs IBS DE107 mit den Abmessungen 10 mm × 7 mm × 2 mm. Bei dem Sensor 08 handelt es sich um einen GMR-Sensor der Typenreihe GL711 bis GL715 und GL721 bis GL725.

Die Kontakte 12 dienen der Stromversorgung und dem Auslesen der bereitgestellten sinus- und cosinusförmigen Sensorsignale. Durch eine Auswertung der Signale an den Signalausgängen kann die Richtung des einwirkenden Magnetfeldes bestimmt werden. Da das über die Zahnteilung hinweg resultierende Magnetfeld hinsichtlich Ausrichtung und Intensität einen nachvollziehbaren Verlauf zeigt, kann durch eine Auswertung von Richtung und Intensität des Magnetfeldes eine genaue Positionsbestimmung der Aktiveinheit erfolgen.

Neben GMR-Sensoren können auch andere magnetoresistive Sensoren, wie beispielsweise MR-, AMR-, TMR-, CMR- oder GMI-Sensoren genutzt werden. Erfindungsgemäß kann jeder Sensor genutzt werden, der eine Kenngröße des sich an der Zahnteilung ausbildenden Magnetfeldes detektieren kann.

Die Sensoren 08 können in unterschiedlichen Bauformen verwendet werden. Die Sensoren können beispielsweise in einem SMD-Gehäuse oder als auf einem Substrat gebondeter Chip ausgeführt werden. Der Dauermagnet 06 kann als integraler Bestandteil des Sensors 08 ausgeführt sein.

Die Positionsbestimmung mit den Sensoren (08) des erfindungsgemäßen planaren Direktantriebes erfolgt relativ. Zur Bestimmung einer absoluten Position bedarf es eines Bezugspunktes, einer Nullstellung o. ä., was durch den Fachmann in bekannte Weise realisiert werden kann.

01
Stator
02
Sensoreinheit
03
Eisenzähne
04
Zahnlücken zwischen den Eisenzähnen
05
06
Dauermagnet
07
Magnetisierungsrichtung
08
Sensor
09
Sensorgehäuse
10
11
Zwischenplatine
12
Kontakt
13
Abstandshalter


Anspruch[de]
Planarer Direktantrieb mit:

– einer planen Passiveinheit (01) mit magnetisierbaren Zähnen (03), wobei sowohl die Grundfläche der magnetisierbaren Zähne (03) als auch deren Zahnlücken (04) zumindest in einer ersten Richtung y eine konstante Länge l aufweisen;

– einer Aktiveinheit mit Spulen zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses; und

– einer Sensoreinheit (02), die an der Aktiveinheit zu deren Positionsbestimmung gegenüber der Passiveinheit angeordnet ist und mindestens eine Magnetfeldquelle (06), deren Magnetfeld zumindest teilweise durch die magnetisierbaren Zähne (03) der Passiveinheit (01) verläuft, sowie mindestens zwei Sensoren (08) umfasst

wobei die Sensoren (08) positionsabhängige Änderungen des durch die Magnetfeldquelle (06) bereitgestellten Magnetfeldes erfassen, und wobei eine Anzahl &agr; ≥ 2 der Sensoren (08) einen Abstand in der ersten Richtung y zueinander aufweist, der jeweils ein ungeradzahliges Vielfaches von 2·l/&agr; ist.
Planarer Direktantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Zähne (03) eine quadratische Grundfläche der Seitenlänge l aufweisen und auch deren Zahnlücken (04) in der ersten Richtung y und in einer zweiten Richtung x der planen Ebene eine konstante Länge l aufweisen, wobei in beiden Richtungen x, y durchgängig verlaufende Nuten der Breite l gebildet sind. Planarer Direktantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (02) genau zwei Sensoren (08) umfasst, wobei die Sensoren (08) sowohl in der zweiten Richtung x einen Abstand aufweisen, der ein ungeradzahliges Vielfaches der Länge l ist, als auch in ersten Richtung y einen Abstand aufweisen, der ein ungeradzahliges Vielfaches der Länge l ist. Planarer Direktantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (02) eine Anzahl b ≥ 2 von Sensoren (08) umfasst, deren Abstand auch in der zweiten Richtung x jeweils ein ungeradzahliges Vielfaches von 2·l/b ist. Sensoreinheit (02) für eine Aktiveinheit eines planaren Direktantriebes, wobei die Sensoreinheit (02) zur Positionsbestimmung der Aktiveinheit auf einer Lauffläche einer Passiveinheit (01) des Direktantriebs mit magnetisierbaren (03) und nichtmagnetisierbaren Bereichen (04) geeignet ist, und wobei die magnetisierbaren und nichtmagnetisierbaren Bereiche (03, 04) jeweils eine Länge l in zumindest einer ersten Richtung y aufweisen; umfassend:

– mindestens eine Magnetfeldquelle (06), deren Magnetfeld zumindest teilweise durch einen von der Sensoreinheit (02) zu erfassenden Messbereich verläuft; und

– mindestens zwei Sensoren (08), die positionsabhängige Änderungen des durch die Magnetfeldquelle (06) bereitgestellten Magnetfeldes erfassen, wobei eine Anzahl &agr; ≥ 2 der Sensoren (08) einen Abstand in der ersten Richtung y zueinander aufweist, der jeweils ein ungeradzahliges Vielfaches von 2·l/&agr; ist.
Sensoreinheit (02) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie genau zwei Sensoren (08) umfasst, die sowohl in der ersten Richtung y als auch in einer zweiten Richtung x einen Abstand aufweisen, der ein ungeradzahliges Vielfaches der Länge l ist. Sensoreinheit (02) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Anzahl b ≥ 2 von Sensoren (08) umfasst, deren Abstand auch in einer zweiten Richtung x jeweils ein ungeradzahliges Vielfaches von 2·l/b ist. Sensoreinheit (02) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (08) unter Anwendung des magnetoresistiven Effekts arbeiten. Sensoreinheit (02) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (08) unter Anwendung des Giant-Magneto-Resistive-Effekt arbeiten, wobei der Giant-Magneto-Resistive-Effekt in mehreren Richtungen in den Sensoren (08) auftritt. Sensoreinheit (02) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldquelle durch einen oder mehrere Dauermagneten (06) gebildet ist. Sensoreinheit (02) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (08) auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Dauermagneten (06) angeordnet sind. Sensoreinheit (02) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Sensor (08) ein Dauermagnet (06) angeordnet ist. Sensoreinheit (02) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Dauermagnete (06) zusammen mit einem zugeordneten Sensor (08) in einem Sensorgehäuse (09) angeordnet ist. Planarer Direktantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (02) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 13 ausgebildet ist.






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