AT512463B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Krafterfassung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Messung von Kraft und davon abgeleitete Größen, wie Druck, Drehmoment, Beschleunigung oder Gewicht sowie Sensor basierend auf diesem Verfahren. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, bei welchem zumindest zwei einander gegenüberliegend angeordnete Magnete aufgrund der Wechselwirkung der Magnetfelder aufeinander in Kraftwirkung stehen. Gegen diese Kraftwirkung wirkt eine mechanisch aufgebrachte Kraft derart, dass die magnetische Kraft kompensiert wird. Somit führt die mechanische Kraft aufgrund der linearen Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke vom Luftspalt zwischen den gegenüberliegend angeordneten Magneten über einen magnetischen Feldstärkensensor zu einem eindeutigen elektrischen Ausgangssignal. Ein geeigneter Sensor ist vorzugsweise ein Hallsensor oder ein GMRSensor. Bei einer Änderung der Umgebungs-Temperatur ändert sich die magnetische Wirkung, dadurch ändert sich der Abstand im Kraftgleichgewichtsfall. Die gemessene magnetische Feldstärke entspricht jedoch wieder der Amplitude der mechanischen Gegenkraft. Dadurch ergibt sich eine sehr geringe Temperaturabhängigkeit. Die Temperatur kann zudem durch Kalibrierung der Abstandsverhältnisse als zusätzliches Ausgangssignal ebenfalls anhand einer Abstandserfassung ermittelt werden.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Krafterfassung [0002] Durch geeignete Anordnung von Magneten und magnetischen Feldsensoren, sowiedurch die Auswertung der aufgeprägten Kräfte im Gleichgewichtsfall mittels Feldmessung bietetdiese Erfindung für viele Krafterfassungs-Anwendungen eine praktische Alternative zu her¬kömmlichen Methoden, beispielsweise gegenüber Piezo-Sensorik.

STAND DER TECHNIK

[0003] In der Literatur findet man unterschiedliche Anwendungen, die Magnete kombiniert inabstoßender oder anziehender Wirkrichtung einsetzen und entweder induktive Sensoren, mag¬netfeldabhängige Widerstände oder Hallsensoren verwenden, um Informationen über die Rela¬tivbewegung des Sensorelementes innerhalb des magnetischen Feldes oder über die Relativ¬bewegung von den Magneten zueinander zu erhalten: [0004] Das Patent US 6670805 offenbart einen Abstandssensor, der die Position von zweiMagneten relativ zu einem eingebetteten Magnetsensor erfasst. Entweder wird ein Magnetgegenüber dem anderen in seinem Abstand verändert, oder es wird die relative Position desSensors innerhalb eines konstanten Spaltes verändert. Der Erfinder dieser Vorrichtung verwen¬det zwei Magnete und einen Sensor. Die Magnete sind axial N-S voneinander abstoßend aus¬gerichtet. Einige Merkmale sind dabei ähnlich wie in der vorgestellten Erfindung. Eine genannteFeder dient nur als unterstützendes Element um einen Minimalabstand zwischen den Magnetennicht zu unterschreiten. Die abstoßende Kraft vergrößert den Abstand der Magnete. Die Entfer¬nung derselben voneinander wird gemessen. Der Bewegungsspielraum wird durch einen Stop¬per beschränkt. Dieser dient dazu den Maximalabstand, der durch die abstoßenden Kräfte derMagnete verursacht wird, vorzugeben. Der Minimalabstand, der durch zugeführte Beschleuni¬gung des Magneten erreicht wird, wird durch eine Feder auf der anderen Seite beschränkt.Kraft ist erforderlich, um den beweglichen Teil gegen das Magnetfeld zu bewegen. Die Relativ¬position der Magnete zueinander spiegelt die erforderliche Kraft wider, die zum Halten derPosition gegen die Feder und gegen die Kraft aufgrund des Magnetfeldes erforderlich ist(Gleichgewicht). Folglich ist der Abstand auch ein Indikator für die angewandte Kraft. DiesesSystem misst eine Entfernung in einer nichtlinearen Übertragungsfunktion und mit hoher Tem¬peraturabhängigkeit. Zusätzlicher Aufwand ist für Linearisierung und Temperatur-Abhängig¬keitskompensation erforderlich.

[0005] Das Gebrauchsmuster DE 8120655 U zeigt einen Drucksensor. In diesem Beispiel wirdder Sensor innerhalb von einem Magnetpaar bewegt. Der Sensor ist auf einer Membran ange¬ordnet, dessen Auslenkungen gemessen werden. Der zweite Magnet kann in der Position ver¬ändert werden, um die Überertragungscharakteristik einzustellen. Der Abstand zwischen denMagneten bleibt unverändert und es erfolgt keine Erfassung einer Magnet-Bewegung.

[0006] Der Aufprall-Sensor im Patent JP2218965 zeigt eine Anordnung von einem Hallsensorsund Magneten.

[0007] Im Aufprall-Erfassungssensor in US5723789 wird ein Magnet in beweglicher Anordnungvon einer Spule sensorisch erfasst.

[0008] Die deutsche Veröffentlichungsschrift DE3809887 (ein Sensor für mechanische Bewe¬gungserfassung) zeigt eine weitere Sensor-Magnetanordnung. Insbesondere zeigen Fig.4a undFig.4b einen magnetabhängigen Widerstandssensor, der in der Nähe eines Spalts zwischenzwei Magneten angeordnet ist.

[0009] Desweiteren sind aus der W0198201068, der DE2842140, der DE2946515, derDE19703173, der DE19942363, der W02009054724 und der DE4026855 verschiedene Vor¬richtungen und Verfahren zur Kraftmessung oder einer davon abgeleiteten Größe bekannt,wobei zwei Permanentmagnete relativ zueinander beweglich sind und zwischen den Perma¬nentmagneten ein Spalt vorhanden ist. Durch die zu messende Kraft wird der Spalt zwischen den Permanentmagneten verändert, wobei die sich dadurch ergebende Magnetfeldänderungmit einem Magnetsensor, der sich zwischen den beiden Permanentmagneten befindet, detek-tiert und anschließend einer Auswerteeinrichtung zugeführt.

AUFGABE DER ERFINDUNG

[0010] Die vorgestellte Erfindung soll eine geeignete Alternative zu gängigen Piezo-Sensorbasierten Kraftmessern sein.

[0011] Eine geschickte Sensor-Magnet-Anordnung wurde gesucht, die zum Messen von Kraftoder Druck geeignet ist und geringe Temperaturabhängigkeit und hohe Linearität aufweist.Diese Anordnung soll geringen bis keinen Kalibrier-, Korrektur- oder Signalkonditionier- Auf¬wand erfordern, wobei ein erkanntes und nachgewiesenes lineares Abhängigkeitsverhältniseiner Übertragungsfunktion genutzt werden soll. Das Verfahren und die Vorrichtung zur Ausfüh¬rung dieses Verfahrens soll einschrittig zielgerichtet funktionieren und nicht wie bei bekanntenMethoden zwei oder mehr Schritte benötigen, wie im Beispiel einer Veränderung des Abstan¬des durch Anwenden einer Kraft gegen eine nicht magnetische Gegenkraft um dann das kraft¬abhängige Abstands-Mess-Signal eines Magnetfeld-Sensors gegenüber einem Magneten indas Kraftsignal umzurechnen. Während bekannte Sensoren meist in einem ersten Schritt dieBewegung eines Magnetes gegen eine Feder erfassen, wodurch sich die Kraft in einem zweitenSchritt aufgrund des bekannten Verhältnisses aus der Federverformung und dem dadurchverbundenen Abstand zwischen Sensor und Magnet oder zwischen zwei Magneten berechnenlässt, ermöglicht der vorgeschlagene Sensor jenes Magnetfeld zu erfassen, das einen linearenZusammenhang zur abstoßenden oder alternativ zur anziehenden Gegenkraft aufweist, einerKraft die zur Feldstärke direkt proportional ist. Ziel ist es ein System zu definieren, bei dem dieKraftänderung direkt die Magnetfeldstärke am Schaltkreis verändert.

LÖSUNG DER AUFGABE

[0012] Erfindungsgemäß wird die Aufgabenstellung durch ein Verfahren gelöst, das die Aufga¬benstellung einer Messung von Kraft oder davon abgeleitete Größen, wie Druck, Drehmoment,Beschleunigung oder Gewicht hat.

[0013] Dazu sind entsprechend ähnlicher bekannter Anordnungen zumindest zwei Permanent¬magnete paarweise angeordnet und zwar so, dass sie in einer Vorzugsrichtung relativ zueinan¬der beweglich sind. Diese Richtung entspricht zumindest einer Vektorkomponente der zwischenden Permanentmagneten wirkenden magnetischen und vom Abstand abhängigen Kraft. Ideal¬erweise ist es im Wesentlichen die Hauptrichtung der Kraftwirkung oder, entsprechend, dieHauptrichtung der Kraft bedingt durch die abgeleitete Größe. Zwischen jedem Magnetpaarbildet sich dadurch ein Spalt, dessen Größe vom Verhältnis aus Kraft und magnetischer Ge¬genkraft abhängt.

[0014] Erfindungsgemäß wird zumindest einer der Permanentmagneten jedes Permanentmag¬netpaares von mit der zu messenden entgegengesetzt wirkenden Kraft oder davon abgeleitetenentgegengesetzt wirkenden Größe den Spalt verändernd in jenen Abstand relativ zum zugeord¬neten zweiten Magneten des Permanentmagnetpaares übergeführt, für den die Summe derdurch die zwischen den Permanentmagnetpaaren wirkenden magnetischen Kräfte und dermechanisch aufgebrachten Gegenkräfte oder davon abgeleiteten Größen in Richtung der Be¬weglichkeit gleich null wird. Die von der Messgröße abhängige magnetische Feldstärke wirdüber zumindest einen Magnetfeldsensor innerhalb jedes durch dieses Verfahren gebildeten undbedingten Spalts als direkt proportionale Größe erfasst und durch den Sensor in das Ausgangs-Signal für die zu messenden Größe als elektrisches Signal in eine geeignete Signalverarbei-tungs-, Ausgabe- und/oder Anzeigevorrichtung geleitet.

[0015] Zur Durchführung des Verfahrens wird des weiteren erfindungsgemäß eine Vorrichtungvorgestellt, die zumindest ein Permanentmagneten-Paar aufweist, deren Magnete im Abstandgegenüber angeordnet sind und deren magnetische Polflächen zumindest näherungsweiseparallel einander gegenüberstehen und in einer Orientierungslage sind, in welcher die größten

Anziehungskräfte zwischen den Permanentmagneten wirken. Dazu ist eine Distanzier-Vorrichtung zur Wahrung eines Minimalabstandes zwischen den Polflächen in zumindest einerAusführung aus der Gruppe Distanzplatte, Distanzhülse, Hohlführung mit zumindest einer In¬nennase, eine Distanz-Feder vorzugsweise eine Blatt-, eine Kegel-, eine Teller-, Membran-,Evolut-, oder Schraubfeder angeordnet sowie ein Magnetfeldsensor zwischen den einandergegenüberstehenden magnetischen Polflächen, dessen elektrisches Ausgangssignal von denmagnetischen Feldern der Magnete beeinflusst wird.

[0016] Andererseits ist vorteilhaft, wenn eine solche Vorrichtung zumindest ein Permanentmag¬net-Paar aufweist, deren Magnete im Abstand gegenüber angeordnet sind, und deren magneti¬sche Polflächen zumindest näherungsweise parallel durch Führungs- und Begrenzungseinrich¬tungen einander gegenüber gehalten werden und in einer Orientierungslage sind, in welcher diegrößten Abstoßungskräfte zwischen den Permanentmagneten wirken. Auch in dieser Ausfüh¬rung ist vorgesehen, dass ein Magnetfeldsensor zwischen den einander gegenüberstehendenmagnetischen Polflächen angeordnet ist, und dass sich an zumindest einem Permanentmagne¬ten eine Vorrichtung zur Gegenkraft-Aufbringung vorzugsweise in Form eines Hebels odereines hydraulischen oder pneumatischen Druckraumes befindet.

[0017] Bei solchen Vorrichtungen ist es besonders vorteilhaft, wenn der Magnetfeld-Sensor alsintegrierter Schaltkreis ausgeführt ist, vorzugsweise mit zumindest einem Hall-Sensor, oderzumindest einem magnetfeldabhängigem Widerstand vorzugsweise aus Wismut oder einerGMR (Giantmagnetoresistor-)Struktur und vorzugsweise zusammen mit einer Auswerteschal¬tung gebildet ist.

[0018] Dazu ist es von Vorteil, wenn die Magnete und der integrierte Schaltkreis in einem Ge¬häuse untergebracht sind, indem die integrierte Schaltung von zumindest einem Permanent¬magnetenpaar eingebettet ist, und wenn für die Vorrichtung zur Aufbringung der Gegenkraftzumindest eine Anschlussschnittstelle am Gehäuse vorgesehen ist.

[0019] Vorteilhaft können die Magnete als flächige Anbringungen auf mikromechanischenStrukturen (MEMS) ausgebildet sein und dabei oberhalb und unterhalb des integrierten Schalt¬kreises angeordnet sein. Dazu sind die magnetischen Polflächen größer als die Magnetfeld¬sensoren und sollten eine maximale Ausdehnung von 5mm, vorzugsweise von maximal 1mmaufweisen. Idealerweise liegt die Ausdehnung der Polflächen in einem Bereich von 10pm bis100pm.

[0020] Günstig ist es, wenn die Vorrichtung zumindest zwei Polpaare von zumindest drei Per-manent-Magneten aufweist, die in entgegengesetzter Wirkrichtung die magnetischen Kräfteausüben, zum Beispiel ein Magnet zentral zieht zwei äußere Magnete an.

[0021] In manchen Anwendungen ist es vorteilhaft wenn eine solche erfindungsgemäße Vor¬richtung ein Bestandteil einer zwei oder dreidimensionalen Sensormatrix ist.

[0022] Die Erfindung wird anhand nachfolgender Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen: [0023] Fig. 1 zeigt die grundsätzliche Anordnung 100 von zwei Permanentmagneten 101, 102 und einem Magnetfeld-Sensor 103. Dabei wirkt Abstoßung aufgrund der Magne¬torientierung gegen eine über die Außenseite der beiden Magnete aufgebrachteZusammenpress-Kraft 107, wodurch der eine Magnet in Richtung 106 in eineausbalancierte Position 104 in Bezug auf die Oberfläche des Sensors gebrachtwird. Der Minimalabstand ist als Differenz des Maximalabstandes 104 von derFrontseite des beweglichen Magnetes zur Oberseite des Sensors abzüglich demmaximalem erlaubten Bereich 105 für den Stellweg definiert.

[0024] Fig. 2 zeigt die nichtlineare Kennlinie der magnetischen Kraftabhängigkeit Fm (Abnah¬ me) vom Abstand x innerhalb des Bereiches xmin bis xmax zwischen den Polflä¬chen mit der gleichen Polarität in einer Anordnung wie sie Fig.1 zeigt. Fig.2azeigt das Ergebnis der Messung eines ersten Prototyps mit bestimmten Dimensi¬onen. Dieser diente dem Nachweis der Wirkungsweise, wobei zwei AINiCo- Zy¬ lindermagnete mit einer Höhe von 1mm und einem Durchmesser von 3 mm ver¬wendet worden sind. Die verursachte Kraftabstoßung wurde mechanisch gemes¬sen und das damit verbundene Magnetfeld wurde durch integrierte Hallsensorenerfasst. Der Sensor wurde ca. 1 mm oberhalb des einen Magneten fixiert. Derzweite beweglich gelagerte Magnet wurde dem gegenüber im Abstand von 0.5bis 4.5 mm zum Sensor bewegt. Dabei war der Minimalabstand der effektivenSensorfläche in einem Gehäuse zur Außenfläche des Gehäuses war dabei 0.5 mm.

[0025] Fig. 3 und Fig. 3a zeigen die Kennlinien der Magnetfeldsensors-Ausgangssignale, die linear abnehmenden Abhängigkeiten vom Kraftgleichgewicht innerhalb derMessgrenzen Fmin und Fmax zeigen. Dabei sind die externen Zusammenpress-Kräfte und die magnetischen Abstoßkräfte im Gleichgewicht wie in Fig. 1 gezeigt.Fig.3a spiegelt die Daten für die Prototypenanordnung wider, wie sie in der Be¬schreibung zu Fig.2a vorgestellt ist.

[0026] Fig. 4 zeigt das nichtlineare Signal out des Sensors als Funktion der ausbalancierten

Abstands-Position x der Magnete bei Kräftegleichgewicht entsprechend der An¬ordnung wie in Fig. 1 innerhalb des Messbereiches von xmin bis xmax. Fig. 4a zeigtwieder die gemessenen Ergebnisse mit der oben beschriebenen Prototyp-Anordnung.

[0027] Fig. 5 zeigt die zweite grundsätzliche Anordnung 200 zweier Permanent-Magnete 201, 202 mit einem Magnetfeldsensor 203. Dabei wirkt Anziehung aufgrund der Mag¬net-Orientierung gegen zumindest an der Außenseite mindestens eines Magne¬ten wirkende Zugkraft 207, wodurch der Magnet in Richtung 206 in eine ausba¬lancierte Position 204 bezogen auf die Sensor-Oberfläche gebracht wird. Dermaximale Abstand 205 ist festgelegt, wobei hier das Sensorsignal einen Mini¬malwert des Systems ergibt.

[0028] Fig. 6 zeigt die nichtlineare Kennlinie der magnetischen Kraftabhängigkeit Fm in ab¬ nehmender Abhängigkeit vom Abstand x zwischen den magnetischen unter¬schiedlich orientierten Pol-Gebieten entsprechend zu Fig.5.

[0029] Fig. 7 zeigt die linear ansteigende Kennlinie als Ausgangssignal des Magnetfeld¬ sensors in Abhängigkeit vom Kräfte-Gleichgewicht innerhalb der Grenzen Fminund Fmax, wobei die außen angreifenden Sog- oder Zugkräfte und die magneti¬sche anziehende Kraft Fm sich im Gleichgewicht.

[0030] Fig. 8 veranschaulicht das sich ergebende nichtlineare Signal out des Sensors als

Funktion der balancierten Position x der Magnete bei Kräftegleichgewicht inner¬halb des Messbereiches von Xmin bis xmax·

Die Abbildungen Fig.6a, 7a und 8a zeigen die korrespondierenden PrototypMess-Ergebnisse die beim Prototyp mit Zylindermagneten aus AINiCo mit denAbmessungen: 3 mm Durchmesser und 1mm Höhe und mit einer integriertenHallsensor-Schaltung entsprechend der Anordnung von Fig.5 erhalten wurden.Dabei stimmen die Kennlinien prinzipiell mit den Annahmen bzw. Simulationsda¬ten entsprechend den Abbildungen in Fig.6, 7 und 8 überein. Die Erfindung istjedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.

[0031] Die Fig. 9, 9a zeigen jeweils eine grobe Skizze eines integrierten Kraft-Sensors und zwar in zwei verschiedenen Positionen der Magnete in einander abstoßenderAnordnung.

[0032] Fig. 10, 10a zeigen eine grobe Skizze von einem integrierten Kraft-Sensor und zwar in zwei verschiedenen Positionen der Magnete in einander anziehender Anord¬nung.

[0033] Vergleicht man die zwei unterschiedlichen Anordnungen gezeigt in Fig. 1 und Fig.5 erhält man unterschiedliche Aspekte.

[0034] Die Magnete können jeweils verschiedene Grundform haben, vorzugsweise sind siekubisch, zylindrisch (scheibenförmig) oder kubisch oder quaderförmig. Material, Dimensionie¬rung und Formgebung richten sich nach dem zu messenden Messbereich (für die Kraft oderden Druck oder dazu abgeleiteten Größen, der Messumgebung und nach der gewünschtenGehäuseform (auch Design). Die bevorzugte Form für die Magnete ist zylindrisch. Symmetrie inder Magnetformgebung ist nicht notwendig.

[0035] Günstig in einer Anwendung mit anziehenden Magnetkraftwirkung (vgl. Fig.5) erweistsich das Selbstausrichtungs-Verhalten.

[0036] In der Umgebung eines magnetischen Mess-Systems kann magnetisches und metalli¬sches Material, insbesondere magnetisierbares Material einen Fehler verursachen. Da derSensor jedoch zwischen sehr nahe angeordneten Magneten eingebettet ist, wirken sich magne¬tische oder metallische Objekte in der vergleichsweise größeren Entfernung vernachlässigbaraus, sofern der kleinste Signalausgang innerhalb des Mess-Weg-Bereiches noch immer groß istim Vergleich zu jenem Signal, das durch die Störgrößen erzeugt werden könnte. Auch Feldver¬zerrungen sollten geringer sein damit der Fehler kleiner wird als der maximal zulässige Fehler.

[0037] Da die Magnete 101, 102 in Fig.1 in einander abstoßender Orientierung zueinanderangeordnet sind, verursacht das magnetische Feld Kräfte und ein Drehmoment auf den freibeweglichen Magneten 101 wenn der andere Magnet 102 gegenüber der Umgebung als fixiertbetrachtet wird. Diese Kräfte oder dieser Drehmoment könnte den Magneten 101 in eine für denanderen Magneten anziehende Position bringen oder zumindest in eine Position außerhalb derSymmetrieachse. Eine mechanische Führung soll solch ein Verhalten unterbinden. Die Anord¬nung in Fig. 1 sollte folglich in ein Gehäuse eingebracht werden, wodurch sich neue Kräfteaufgrund der Reibung ergeben können. Durch geeignete Oberflächen-Paarung kann Reibungvermieden oder stark verringert werden. Luft oder Gas innerhalb des Spaltes benötigt Ab- bzw.Zuströmwege, um nicht zusammengedrückt oder gedehnt zu werden, wenn die Messzyklen inrascher Abfolge stattfinden. Die Anordnung gemäß Fig.1 ist geeignet für Kräfte oder davonhergeleitete Größen, die gegen die Oberfläche drücken, wie Gasdruck in einer Kolbenpumpe,oder für eine Waage unter Verwendung von Gravitation G=m*g wobei m eine kleine Massebestimmter Größe ist und g die Gravitationskonstante ist.

[0038] Eine weitere Anwendung könnte eine berührungsempfindliche Fläche sein, wie in einemtaktilen Sensor eines Roboter-Fingers. Zu beachten: Höhere Kräfte in der Fig.1 bewirken kleine¬re Ausgangssignale am Sensor als niedrigere Kräfte: out = K10 - Kn · x, wobei K10 und Kn mate¬rial- und formabhängige Konstanten sind.

[0039] Die Anordnung von Fig.5 hat den Vorteil der Selbstausrichtung, Selbstzentrierung. Dabeineigen die Magnete dazu in die Position der geringsten potentiellen Energie zu gelangen. Indiesem Fall müssen die Magnete voneinander gezogen werden, entgegen der Anziehungskraftder Magnete. Prinzipiell könnte einer der Magnete 201,202 auch durch ein anziehbares Materi¬al wie Eisen, Kupfer oder anderes ferromagnetisches Material ersetzt sein.

[0040] Die Magnetanordnung mit anziehender Kraftwirkung zwischen den Magneten eignet sichfür Unterdrucksensoren, Vakuum-Sensoren oder Fluid-Strömungsmesser. Wird ein Halter anden beweglichen Magneten befestigt, ermöglicht ein Hebel, oder ein Rad, die zu messendenKräfte auch in eine andere auch gegensätzliche Richtung umzuleiten. Unterschiedlich langeHebelarme, von der Drehachse des Hebels gemessen, könnten auch das Weg-Kraftverhältnishin zu anderer Übersetzung ändern.

[0041] Zu beachten: Höhere Kraft verursacht in der Konfiguration von Fig.5 ein größeres Aus¬gangssignal als kleinere Kraft: out = K20 + K2i x, wobei K20 und K21 Konstanten in Abhängigkeitvon Material und Form sind.

[0042] Ein großer Vorteil der Konfiguration in Fig.5 verglichen mit der von Fig.1 ist, dass in Fig.5Führungsvorrichtungen nicht erforderlich sind, um ein Driften der Magnete von ihrer optimalen

Position aufgrund von Lateralkräften zu verhindern. Dafür ist der Nachteil die Instabilität desGleichgewichtes.

[0043] Sind die anziehenden Magnete einander zu nahe und die Messkraft zu gering um einevollständige Kompensation zu erreichen, dann wird der bewegliche Magnet unweigerlich zurnahest möglichen Position angezogen. Wenn jedoch der Abstand zu groß ist um die Gegenwir¬kung durch die Magnetkräfte zu erzielen, dann könnte der Magnet durch die externe Kraft sofortin die maximale Entfernungsposition gezogen werden, weit weg von der Gleichgewichtspositionder Kräfte.

[0044] Um diesen Nachteil zu umgehen wurde eine trickreiche Methode gefunden, wobei Fe¬dern eingesetzt werden, die das Wegdriften des Magneten vom Anziehungsbereich oder auchdas Driften zum korrespondierenden Magneten verhindern.

[0045] Eine Feder wird mithilfe der magnetischen Anziehungskraft entweder zusammenge¬drückt oder auseinander gedehnt. Dabei entsteht ein Gleichgewicht Federkraft-Magnetkraft,wobei die Federkraft gleich groß ist wie die Anziehungskraft, jedoch in gegensätzlicher Wirkrich¬tung. Dann wird die zu messende Kraft hinzugefügt, wobei diese gegen die Federkraft zusätz¬lich wirkt: [0046] F+Fm= FSpring· Die Federkraft FSpring stellt eine Linearfunktion zur Wegänderung dar. Das

Ergebnis für die Kraft F — Fspring_compressed - Fm — kspringcompressed' Ol-d) Fm Oder F — Fspring expanded

Fm = kSpring_expanded d - Fm> wobei FSpring_comPressed die Federkraft im komprimierten Zustand ist, Fmdie magnetische Kraft an dieser Stelle ist und F die gesuchte Kraftkomponente darstellt.

[0047] Die Anordnungen in Fig.9, 9a, 10 und 10a zeigen zwei Magnete 1, 2 mit der Polorientie¬rung N (Norden), S (Süden). Der Sensor (hier ein integrierter Hallsensor) 3 befindet sich in derMitte einer integrierten Schaltung 9, die vorzugsweise durch einen Silizium Halbleiter-Prozesshergestellt wird. Der Magnet 1 ist hier durch eine Fixierplatte 11 mit Ausnehmung für den Mag¬neten positioniert. Dabei muss der Magnet genau unter dem Sensor 3 angeordnet werden. EineVersiegelung 16 kann als Schutz für die Schaltung 9 mit dem Sensorelement vorgesehen sein.Diese Versiegelung kann ein Epoxidharz beispielsweise SU-8 sein und könnte sogar die Bond¬drähte 12 bedecken. Die Versiegelung verursacht einen Minimal-Abstand zum Sensor. DerMinimalabstand zwischen den Magneten 1,2 wird weiter vergrößert durch ein Distanzierteil 19,welcher ein Schwamm oder ein flexibles Dämpfungsmaterial sein kann. Das Gehäuse 10 derintegrierten Schaltung 9 und das mikromechanische System bestehend aus den Magneten undeiner Membran 6 zusammen mit dem Membranhalter 20 bilden zwei Kammern 7 und 8. Diesekönnen direkt mit einer Gasumgebung von unterschiedlichem Gasdruck in Verbindung stehen.

[0048] Um Gasdruckdifferenzen aufzubringen können zwei Verbindungsrohre 4 und 17 ange¬dockt sein. Gas könnte durch Rohr 4 oder den Pfad 18 geführt werden. Die elektrischen Signalefür die Versorgung des Sensors und zur Herausführung der Sensorsignale werden über Bond¬drähte 12 mit den Anschluss-Beinen 13 am Gehäuse verbunden. Abhängig von der Orientie¬rung der Magnete zueinander, ergibt sich entweder anziehende oder abstoßende Magnetkraft 14. Im Gleichgewicht ist die Magnetkraft 14 gleich groß wie die aufgebrachte mechanische Kraft 15. Durch das Verwenden beispielsweise eines Kolbens 5, kann Kraft auf einen beweglichenMagneten übertragen werden. Auch kann ein Hebel dazu genutzt werden um die Kraftrichtungumzudrehen.

[0049] Die Anordnungen in Fig.9 und Fig.9a befinden sich in einem stabilen Gleichgewicht. Dasist daran ersichtlich, dass die Kraftvektoren bei unterschiedlichen Abständen der Magneten ingleicher Änderung mitgehen. Größerer Abstand bewirkt kleinere Abstoßkräfte, kleinerer Ab¬stand bewirkt größere Abstoßkräfte. Das Rohr 4 ermöglicht eine Führung zusammen mit demKolben darin, sodass laterale Kräfte auf den abgestossenen Magneten verhindert werden.

[0050] Die Anordnungen in Form der Fig.10 und Fig.10a sind gleichgewichts-instabil. ZumVerbessern der Stabilität muss eine Feder eingebaut werden. Dann muss die externe Kraftzusätzlich gegen die Federkraft wirken. Die externe Kraft wird unterstützt durch die magnetischeKraft. Das so bestimmte Messsignal am Sensor dient dann der Messwertbestimmung.

[0051] Eine mögliche Ausführung der Feder könnte eine Membrane sein, wobei der Kolben 5gegen die zunehmende Kraft wirken muss. Beim Kraftmaximum reduziert die Anziehungskraftder Magneten den linearen Federkraftanstieg bei der Membran. Das Ausgangssignal des Sen¬sors muss um den Membrananteil korrigiert werden. Die Übertragungsfunktion der Membran-auslenkung gegenüber der Kraft kann entweder genau bekanntes Verhalten besitzen odereinmal messtechnisch erfasst werden und zur Kalibrierung in der integrierten Schaltung gespei¬chert werden. Anstelle einer Membrane können andere Federn auch als Stabilisierelementeeingesetzt werden. Indem Federn mit definierten Kräften in Designs entsprechend Fig.10, 10ahinzugefügt werden, kann dieses Beispiel noch stabilisiert werden. In diesem Fall sind die Kräf¬te unterschiedlich in der Größe wie bei den skizzierten Pfeilen (Vektoren) angedeutet.

[0052] Zur Anmerkung: Der Kolben und der Hebel müssen nicht verwendet werden, wennGasdruck anstelle mechanischer Kräfte zum Einsatz kommt. Die hier gezeigten Beispiele sollennicht die Anzahl möglicher Anwendungen im Bezug auf die Erfindung einschränken.

[0053] Jegliche Temperatur-Änderung würde das Gleichgewicht insofern beeinflussen, dasssich ein anderer Abstand x ergibt. Die dazugehörige magnetische Feldstärke aufgrund diesesveränderten Abstandes ändert sich ebenfalls aber in entgegengesetzter Weise. Höhere Tempe¬ratur verursacht niedrigere Feldstärke. Zu einer gegebenen Kraft zum Zusammendrücken dereinander abstoßenden Magnete, ergibt sich ein kleinerer Abstand, aber der Sensor zeigt dengleichen Wert auch bei zunehmender Temperatur. Im anderen Beispiel wirkt gegen die mecha¬nische Kraft zum Auseinanderziehen der Magnete die magnetische Anziehungskraft; der Ab¬stand muss verringert werden um die gleiche Amplitude zu erreichen, die dann infolge dasgleiche Ausgangssignal wie bei der tieferen Temperatur generiert, soferne das Temperaturver¬halten des Sensors unberücksichtigt bleibt.

[0054] Für das Gehäuse können Plastik oder Keramik- Materialien verwendet werden. AINiCoPermanentmagnete können auf einer Silizium-Membrane angebracht sein. Zur Miniaturisierungkann ein integrierter anwendungsspezifischer Mikro-System-Schaltkreis bestehend aus Magne¬ten, einer Silizium-Membran und einem integrierten Schaltkreis mit integrierten Hallsensorengebildet werden. So eine Konstruktion ermöglicht die ressourcenschonende Massenproduktionkostengünstiger Sensoren in großen Mengen bei geringstem Einsatz von unterschiedlichemMaterialien und Materialmengen.

[0055] Typische Anwendungen für den Sensor sind: Wasserstandsfühler in Waschmaschinen,Geschirrspülern oder anderen Geräten, Messeinrichtungen in der Produktion zur Erfassung vonKraft oder Druck und Sensoranwendungen in Automobilen. Verglichen mit Sensoren, die einenMagneten, eine Feder und einen Sensor verwenden ist das vorgestellt System wesentlich ro¬buster und erreicht Linearitätsfehler kleiner als 1%.

[0056] Der maximale Abstandsbereich sollte bis 5mm oder sogar mehr betragen. Der maximaleDruck oder Kraftbereich und der maximale Messweg hängt von der Magnetisierung, dem ver¬wendeten Material und der Größe und Anzahl der Permanentmagneten sowie von der verwen¬deten Feder für die Nullposition ab.

Claims (7)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Messung von Kraft oder davon abgeleitete Größen, wie Druck, Drehmoment,Beschleunigung oder Gewicht, wobei zumindest zwei Permanentmagnete, welche in Rich¬tung einer Vektorkomponente, insbesondere im Wesentlichen in der Hauptrichtung derzwischen ihnen wirkenden magnetischen und vom Abstand abhängigen Kraft oder in Rich¬tung einer Vektorkomponente, insbesondere im Wesentlichen in der Hauptrichtung der da¬von abhängigen Größe relativ zueinander beweglich angeordnet sind und wobei sich dabeimindestens zwei magnetische Pole einen Spalt bildend im Abstand gegenüberstehen, wo¬bei i) zumindest einer der Permanentmagneten jedes solcherart angeordneter Permanent¬magnetpaares von mit der zu messenden entgegengesetzt wirkenden Kraft oder voneiner zu messenden davon abgeleiteten entgegengesetzt wirkenden Größe den Spaltverändernd in jenen Abstand relativ zum zugeordneten zweiten Magneten des Perma¬nentmagnetpaares übergeführt wird, für den die Summe der durch die zwischen denPermanentmagnetpaaren wirkenden magnetischen Kräfte und der mechanisch aufge¬brachten Gegenkräfte oder davon abgeleiteten Größen in Richtung der Beweglichkeitgleich null wird, und ii) dass die von der Messgröße abhängige magnetische Feldstärke aufgrund des Abstan¬des zwischen den Magneten jedes Permanentmagnetpaares im Gleichgewicht überzumindest einen Magnetfeldsensor innerhalb jedes durch dieses Verfahren gebildetenSpalts als direkt proportionale elektrische Größe erfasst wird, iii) dass das Ausgangs-Signal jedes für die Bestimmung der zur messenden Größe erfor¬derlichen Magnetfeldsensors in eine für das Ausgangs-Signal geeignete Signalverar-beitungs-, Ausgabe- und/oder Anzeigevorrichtung geleitet wird, dadurch gekenn¬zeichnet, dass, die Magnete als flächige Anbringungen auf mikromechanischen Strukturen (MEMS) vor¬zugsweise Membranen ausgebildet sind und oberhalb und unterhalb des IntegriertenSchaltkreises angeordnet sind und dass die magnetischen Polflächen größer als die Mag¬netfeldsensoren sind, jedoch eine maximale Ausdehnung von 5mm, vorzugsweise von1mm, vorzugsweise im Bereich von 10pm bis 100pm sind.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬net, dass, sie i) zumindest ein Permanentmagnet-Paar aufweist, deren Magnete im Abstand gegen¬über angeordnet sind und deren magnetische Polflächen zumindest näherungsweiseparallel einander gegenüberstehen und in einer Orientierungslage sind, in welcher diegrößten Anziehungskräfte zwischen den Permanentmagneten wirken, und ii) eine Distanzier-Vorrichtung zur Wahrung eines Minimalabstandes zwischen den Pol¬flächen in zumindest einer Ausführung aus der Gruppe Distanzplatte, Distanzhülse,Hohlführung mit zumindest einer Innennase, eine Distanz-Feder vorzugsweise eineBlatt-, eine Kegel-, eine Teller-, Membran-, Evolut-, oder Schraubfeder aufweist, und iii) einen Magnetfeldsensor zwischen den einander gegenüberstehenden magnetischenPolflächen aufweist iv) an zumindest einem Permanentmagneten eine Vorrichtung zur Gegenkraft-Aufbringung vorzugsweise in Form eines Hebels oder eines hydraulischen oder pneu¬matischen Druckraumes vorgesehen ist.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬net, dass, sie i) zumindest ein Permanentmagnet-Paar aufweist, deren Magnete im Abstand gegen¬über angeordnet sind und deren magnetische Polflächen zumindest näherungsweiseparallel durch Führungs- und Begrenzungseinrichtungen einander gegenüber gehaltenwerden und in einer Orientierungslage sind, in welcher die größten Abstoßungskräftezwischen den Permanentmagneten wirken, und ii) einen Magnetfeldsensor zwischen den einander gegenüberstehenden magnetischenPolflächen aufweist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass derMagnetfeld-Sensor in integrierter Bauform als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist, vor¬zugsweise mit zumindest einem Hall-Sensor, oder zumindest einem magnetfeldabhängi¬gem Widerstand vorzugsweise aus Wismut oder einer GMR (Giantmagnetoresistor-)Struk-tur und vorzugsweise zusammen mit einer Auswerteschaltung gebildet ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete und der inte¬grierte Schaltkreis in einem Gehäuse untergebracht sind, indem die integrierte Schaltungvon zumindest einem Permanentmagnetpaar eingebettet wird und wobei für die Vorrich¬tung zur Aufbringung der Gegenkraft zumindest eine Anschlussschnittstelle am Gehäusevorgesehen ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vor¬richtung zumindest zwei von einem Spalt getrennte jeweils einander gegenüberliegendePolpaare von zumindest drei Permanent-Magneten aufweist, die in entgegengesetzter Wir¬krichtung magnetische Kräfte ausüben vorzugsweise zur Kompensation von Gleichfeldun¬terdrückung oder zur Kompensation von Fehlern aufgrund von Gravitationskräften.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie einBestandteil einer zwei oder dreidimensionalen Sensormatrix ist. Hierzu 10 Blatt Zeichnungen