DE102006051621A1 - Einrichtung zur Erfassung eines weichmagnetischen Elements - Google Patents

Abstract

Eine Anordnung von einem Dauermagneten hinter oder neben einem magnetfeldempfindlichen Sensor gestattet es, ein Eisenteil durch eine entsprechende Feldänderung zu erfassen. Es sind verschiedene Formen für den Magneten bekannt, die dazu führen, daß am Sensorort ohne herangeführte Eisenteile ein relativ geringes magnetisches Feld ansteht, welches erst durch ein Eisenteil verstärkt wird. Die bekannten Formen haben den Nachteil, daß in Teilen des Dauermagneten solch starke Gegenfelder auftreten, daß insbesondere unter Temperatureinfluß eine Alterung des Magneten und damit eine entsprechende Schaltpunktveränderung auftritt. Dieser unerwünschte Effekt soll durch eine geeignete Formgebung des Magneten mit der dazugehörigen Positionierung des Sensors verbessert werden. Die Erfindung beschreibt einen Magneten mit einer eingelassenen Vertiefung, in welche der Sensor eingebettet ist, wobei der Boden der Vertiefung durchgehende Öffnungen aufweist, wodurch der Effekt der magnetischen Alterung deutlich reduziert ist. Die Einrichtung eignet sich zur Bewegungsmessung von Eisenteilen. Es können gleichermaßen lineare Bewegungen, z. B. das Vorbeiführen eines Bleches, als auch rotierende Bewegungen, z. B. die Drehbewegung eines Zahnrades, durch entsprechende Feldänderungen am Sensorort erfaßt werden. Es können auch Näherungsschalter, basierend auf der Erfindung, aufgebaut werden, bei denen bei dem Heranführen von Eisenteilen ein digitales Schaltsignal erzeugt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung der Bewegung weichmagnetischer Elemente mittels Dauermagneten und magnetfeldempfindlicher Sensoren. Hierbei wird nach dem Stand der Technik ein Dauermagnet hinter oder neben einem magnetfeldempfindlichen Sensor, z.B. einem Hallelement mit nachgeschaltetem Verstärker, einer Feldplatte oder einem magnetoresistiven Element positioniert. Die von dem Sensor erfaßte Feldstärke ändert sich, sobald sich ein weichmagnetisches Werkstück vor dem Sensor bewegt und damit die magnetische Permeanz im Flußbereich verändert.
• Derartige Anordnungen sind z.B. in der Anwendungsbeschreibung „Application Note 27702A" der Firma Allegro beschrieben. Um bei einer Temperaturänderung die hieraus veränderte Feldstärke des Gebermagneten nicht fälschlicherweise als Ortsveränderung des weichmagnetischen Werkstückes zu interpretieren, wird in der Patentschrift DE 3901678 A1 vorgeschlagen, daß der Sensor dort angeordnet ist, wo die Feldstärke des Gebermagneten bei Abwesenheit des weichmagnetischen Elementes möglichst gering ist. Dies ist z.B. oberhalb eines axial magnetisierten Magnetringes gegeben. Da durch diese Anordnung der Magnet hinter dem Sensor zurücksteht, und hierdurch die Größe und Empfindlichkeit der Einrichtung nachteilig ist, wird eine verbesserte geometrische Ausgestaltung des Gebermagneten hierzu mit der Patentschrift EP 0 778 954 B1 angegeben. Hierbei wird ein U-förmiger Magnet vorgeschlagen. Damit ist eine kompakte und magnetisch sehr wirksame Konfiguration gegeben. Nachteil dieser Anordnungen ist, daß der magnetische Arbeitspunkt des Magnetmaterials direkt hinter dem Sensor stark geschert ist, d.h. gängige Magnetmaterialien erleiden eine Alterung durch den Effekt der Selbstentmagnetisierung, die insbesondere nach Abkühlung eines Hartferriten unter 0°C oder bei Erwärmung eines Seltenerdmaterials über ca. 80°C zu einer Nullpunktsverschiebung des Sensors führt. Solche Alterungseffekte können in Grenzen nach der Magnetisierung des Dauermagneten durch eine Schwächung im Wechselfeld oder Gegenfeld oder durch entsprechende Temperung vorweggenommen werden. In vielen Anwendungen hat sich aber erwiesen, daß der magnetische Arbeitspunkt so ungünstig liegt, daß eine Voralterung den Magneten zu stark schwächt, wenn sie ausreichend wirksam sein soll.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung einer Geometrie des Gebermagneten mit einem nahe daran befindlichen Sensor, bei welcher der Gebermagnet insbesondere im Bereich hinter dem Sensor magnetisch durch einen günstigeren Arbeitspunkt stabilisiert ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein über die Höhe magnetisierter Gebermagnet eine Vertiefung oder Mulde aufweist, in die der Sensor eingelassen ist, und daß der Boden dieser Vertiefung durchgehende Öffnungen aufweist. Diese Öffnungen können aus einem oder mehreren runden Bohrungen bestehen. Es sind aber auch andere Formen, z.B. Langlöcher sinnvoll. Um eine ausreichende magnetische Stabilisierung zu bewirken, müssen diese Öffnungen flächenmäßig mindestens 15% und im günstigeren Fall über 20% der Fläche der Vertiefung ausmachen. Um den magnetfeldfreien Bereich niedrig, d.h. nahe oder in der Vertiefung zu halten sollte der Flächenanteil der Öffnungen nicht über 80% liegen. Bei den meisten Magnetgrößen ist sogar eine obere Grenze von maximal 60% sinnvoll.
• Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen 1 bis 6 näher beschrieben. In der 1 ist ein typisches Beispiel des Magneten in Aufsicht gezeigt. Der Magnet (1) ist über die Höhe magnetisiert so daß die Blickrichtung parallel der Magnetisierrichtung (4) weist. In der Mitte ist die Vertiefung (2) angeordnet, die zu zwei Seiten symmetrische Öffnungen in Form von Langlöchern aufweist. In dem Beispiel beträgt der Flächenanteil der Öffnungen ca. 50% der Gesamtfläche der im Querschnitt H-förmigen Vertiefung. Eine Queransicht eines Schnittes durch die Mitte des Magneten ist in 2 gezeigt. In 3 sind der magnetempfindliche Sensor (7) und das weichmagnetische Element (5) hinzugefügt. Beide Bewegungsrichtungen (6) des Elementes (5) können durch eine Änderung der Feldstärke am Sensorort (7) sicher erkannt werden. Hierbei sind viele Formen des weichmagnetischen Werkstückes denkbar. So können bei einem rotierenden Zahnrad einzelne Zähne durch die Modulation des Magnetfeldes erkannt werden.
• Alternativ kann auch die Bewegung eines Eisenteiles anhand der entsprechenden kontinuierlichen Änderung des Feldsignal erkannt werden.
• In der 4 ist eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Magneten in der Aufsicht gezeigt. Hierbei ist die Magnetaußenkontur rund gestaltet und die Öffnungen sind als Bohrungen symmetrisch um den Mittelpunkt der Auflagefläche für den Sensor ausgeführt.
• In den folgenden 5 und 6 ist die Verbesserung dargestellt, die durch die Erfindung erreicht wird. In der 5 ist in einem Differenz-Bild der Feldverlust über einer Magnetplatte dargestellt, der sich aus zwei Messungen ergibt, wobei die zweite Messung nach Abkühlung des Prüflings auf –20°C die Verluste wiedergibt, die sich bleibend darstellen, wenn der Prüfling nach der Abkühlung wieder bei der gleichen Temperatur, wie bei der ersten Messung gemessen wird.
• Der Prüfling hat die beispielhaften Maße 16 mm × 14 mm × 4 mm mit einer 1,5 mm starke Vertiefung der Maße 7 mm × 4,2 mm für den Sensor. In 1 mm Abstand über dem Prüfling bewirkt die Abkühlung auf –20°C eine irreversible Verschiebung des Feldniveuas um ca. 3 mT. In der 6 ist die gleiche Differenz-Messung für eine Platte mit 2 Langlöchern der Maße 1,5 mm × 4,2 mm im Boden der Vertiefung bei sonst unveränderter Geometrie dargestellt. Die irreversiblen Verluste sind um den Faktor 3–4 reduziert. Falls benötigt, können solche geringen Verluste durch eine Voralterung vorweggenommen werden.

1

Gebermagnet

2

Vertiefung im Magneten zur Aufnahme des Sensors

3

Öffnung/Bohrung im Bodenbereich der Vertiefung

4

Magnetisierungsrichtung

5

Weichmagnetisches Element

6

2 mögliche Bewegungsrichtungen des weichmagnetischen Elementes, die zu einer Änderung der Feldstärke am Sensorort führen

7

Sensor in der Vertiefung des Gebermagneten

Claims (8)

1. Einrichtung zur Erfassung eines weichmagnetischen Elementes bestehend aus einem Gebermagneten mit daran befindlichen Magnetfeldsensor, wobei der Gebermagnet axial in Richtung des weichmagnetischen Werkstückes magnetisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet eine Vertiefung zur Aufnahme des Sensors enthält, und dass diese Vertiefung am Boden eine oder mehrere Öffnungen zur magnetischen Stabilisierung aufweist
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung oder die Öffnungen in der Summe einen Flächenanteil der Vertiefung von mindestens 15% und maximal 80% abdecken
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung oder die Öffnungen in der Summe einen Flächenanteil der Vertiefung von mindestens 20% und maximal 60% abdecken
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Öffnungen symmetrisch um die Auflagefläche des Sensors angeordnet sind
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung oder die Öffnungen als Langloch ausgeführt sind
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial besteht
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Gebermagneten aus einem in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Hartferrit besteht
8. Gebermagnet für eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–7