Mehr als 4000 Umdrehungen ohne Pufferbatterie und Getriebe
Energieautarker Multiturn-Drehgeber
Multiturn-Sensoren auf Basis des GMR-Effekts sind eine preisgünstige Alternative zu batteriegepufferten Drehgebern. Bislang zählen sie jedoch max. 16 Umdrehungen. Novotechnik hat nun mit Industriepartnern und dem IPHT Jena die Grundlagen für den »Uniturn« geschaffen, der mehr als 4096 Umdrehungen stromlos erfasst.
Nach wie vor ist der heutige Multiturnmarkt von optischen Encodern beherrscht, die die Zahl der Umdrehungen über mehrstufige Getriebe erfassen. Für viele mobile und industrielle Anwendungen sind sie allerdings eher ungeeignet, weil sie eine dauerhafte Stromversorgung benötigen und auf mechanischen - und damit verschleißbehafteten - Konstruktionen beruhen oder für manche Einsatzbereiche einfach zu aufwändig und teuer sind. Als Alternative bieten sich magnetische Verfahren an, mit deren Hilfe sich zukünftig mehr als 4000 Umdrehungen energieautark erfassen lassen. Erstes Beispiel dafür ist nun der »Uniturn«.
Ausgangsbasis für die Neuentwicklung war ein bereits von Novotechnik im Markt eingeführter magnetischer Multiturnsensor, der sich jedoch nur für maximal 16 Umdrehungen eignet und nicht durchdrehbar ist, das heißt man muss diesen Sensor nach 16 Umdrehungen wieder zurückdrehen, um zum Ausgangszustand zu gelangen. Ursache dafür ist die offene Struktur der Domänenbahnen. Im Gegensatz dazu ist beim Uniturn die Struktur geschlossen und kann somit durchgedreht werden, der Sensor beginnt also nach dem maximalen Zählwert wieder bei 0.
Der Sensor arbeitet ebenfalls mit magnetischen Domänen, die durch die zu überwachende Drehbewegung auf Bahnen verschoben werden und zum Erhalt der Information keine Energie benötigen. Dabei ist die Funktion nicht grundlegend verschieden von der bisherigen »Quadstruktur«: Bei jeder Vierteldrehung verändert sich die Position der Domänen und somit auch die magnetische Orientierung in den Teilabschnitten der Sensorschicht (siehe Bild 1). Durch eine geeignete Kontaktierung der Struktur lässt sich jetzt wieder über den GMR-Effekt der Magnetisierungszustand und somit die Umdrehungszahl ermitteln. Ordnet man fünf Schleifen mit einer jeweils teilerfremden Anzahl von Spitzen an, erreicht das gesamte System erst nach 3 x 4 x 5 x 7 x 11 = 4620 Umdrehungen wieder den Ausgangszustand, das entspricht mehr als 12 Bit. Fügt man eine weitere Schleife mit 13 Spitzen hinzu, erreicht man bei den Umdrehungen knapp 18 Bit. Eine Million Umdrehungen können mit einer weiteren Schleife mit 17 Spitzen gezählt werden. Bild 2 zeigt eine mögliche Realisierung eines GMR-Chips mit der Fläche 1,4 x 2,2 mm. Mit sechs teilerfremden Schleifen sind N = 3 x 5 x 7 x 9 x 11 x 13 = 45.045 Umdrehungen erfassbar.
Als kritisch hat sich die Bewegung der Domänenwand über die Spitzen erwiesen. Mittels mikromagnetischer Simulationen haben die Wissenschaftler daher eine optimale Geometrie ermittelt und die Domänenbewegung über die Spitze anschließend im Experiment bestätigt. Allerdings ist derzeit das realisierte magnetische Arbeitsfenster noch zu klein, um direkt in eine Produktumsetzung zu gehen. Weitere Arbeiten sind noch notwendig; sie werden von den Industriepartnern nach Auslauf des Förderprojektes weitergeführt. Die Projektpartner im Einzelnen: AB Elektronik, FSG Fernsteuergeräte, IMSTec, IPHT, Kübler GmbH, Novotechnik und Sensitec GmbH sowie die Unterauftragnehmer AMIC GmbH und IZM Fraunhofer.
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