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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, ausgebildet zur Erfassung einer linearen Bewegung eines Messobjektes, wobei ein Sensor und ein damit zusammenwirkendes Magnetsystem vorgesehen ist, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
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Eine gattungsgemäße Sensorvorrichtung ist aus der
DE 10 2010 053 217 A1 bekannt. Dieser Stand der Technik offenbart eine Sensoranordnung, ausgebildet zur Erfassung der Position eines linear bewegbaren Elementes, wobei die Sensoranordnung einen Magneten sowie ein die Position des Magneten erfassendes Sensorelement aufweist, wobei ein ortsfester Träger vorgesehen ist und der Träger zur Aufnahme des Sensorelementes und zur Aufnahme des linear und relativ zu dem Magneten umfassenden bewegbaren Elementes ausgebildet ist. Bei dieser Sensoranordnung ist lediglich ein einziger mit dem magnetisch sensitiven arbeitenden Sensorelement zusammenwirkender Magnet vorhanden, wobei der Magnet länglich ist und einen eckigen Querschnitt aufweist und der längs seiner Erstreckung diagonal magnetisiert ist. Dabei ist der Magnet entweder als kunststoffgebundener Magnet ausgebildet oder von einem anisotropen Magnetmaterial gebildet. Damit die Funktionsweise dieser Sensoranordnung realisiert werden kann, ist es erforderlich, dass der Magnet länglich und damit über die gesamte zu erfassende Wegstrecke des Messobjektes ausgebildet ist. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass mit einer Sensoranordnung sehr gut mittellange Wege, insbesondere von wenigen Zentimetern, erfasst werden können. Jedoch hat diese Sensoranordnung den Nachteil, dass eben nur mittellange Wege und damit nicht beliebig lange Wege des Messobjektes erfasst werden können. Außerdem besteht eine Schwierigkeit in der Herstellung des länglichen Magnetes, der sich über die gesamte zu messende Wegstrecke erstreckt, da solche Magnete nur sehr schwierig reproduzierbar zu vertretbaren Kosten herstellbar sind. Insbesondere kunststoffgebundene Magnete und Magnete, die von einem anisotropen Magnetmaterial gebildet sind, lassen sich nicht ohne weiteres und vor allen Dingen nicht zu vertretbaren Kosten, insbesondere in einer Serienproduktion, herstellen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist bzw. eine Alternative darstellt.
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Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Magnetsystem von mindestens zwei, vorzugsweise mehr als zwei diametral magnetisierten Permanentmagneten gebildet ist und eine definierte Winkelverschiebung zueinander in axialer Richtung aufweist. Für die lineare Wegmessung der Bewegung eines Messobjektes wird der Sensor in einem definierten Abstand über das Magnetsystem (oder umgekehrt) bewegt. Der Sensor misst das Magnetfeld, welches durch das Magnetsystem erzeugt wird und gibt ein entsprechendes Ausgangssignal an eine nachfolgende Auswerteschaltung aus. Das Magnetsystem besteht in erfindungsgemäßer Weise aus mehreren Permanentmagneten, die in entsprechender Anzahl zusammengesetzt werden und in der Anwendung verbaut werden. Die Anzahl der zu verwendenden Permanentmagneten richtet sich nach deren Größe, insbesondere deren axialer Erstreckung, und nach der Wegstrecke, die das Messobjekt zurücklegen kann und erfasst werden soff. Vorzugsweise werden so viele Permanentmagnete zu einem Magnetsystem zusammengefasst, so dass die axiale Erstreckung dieses Magnetsystemes der axialen Erstreckung der Wegstrecke entspricht. Darüber hinaus ist es denkbar, dass die Länge des Magnetsystemes auch größer oder kleiner der Wegstrecke, die erfasst werden soll, ist.
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Die einzelnen Permanentmagnete werden oder sind diametral magnetisiert und werden derart zusammengefügt, dass durch ihre Anordnung zueinander eine Winkelverschiebung beim Zusammenbau der einzelnen Permanentmagnete entsteht. Daraus resultiert ein sich um die axiale Achse des Magnetsystemes drehendes Magnetfeld. Dadurch ist es möglich, mit dem Sensor den magnetischen Winke! zu messen und auszuwerten. In vorteilhafter Weise sollte das Magnetsystem so ausgelegt werden, dass sich der magnetische Winkel über die gesamte Messlänge (Wegstrecke des Messobjektes) um 360 Grad dreht. Hierbei ist es allerdings ebenso denkbar, dass sich der magnetische Winkel über die gesamte Messlänge mehr als einmal um 360 Grad oder auch weniger als 360 Grad dreht. In solchen Fällen ist es erforderlich, dass die Anzahl der Drehungen des Magnetsystemes um 360 Grad über die gesamte Messlänge gezählt wird, um jederzeit sicherstellen zu können, an welcher Stelle sich das Magnetsystem (und damit das Messobjekt) relativ zu dem Sensor (allgemein relativ zu einem Bezugspunkt) befindet. Ergänzend wird noch darauf hingewiesen, dass bisher davon ausgegangen worden ist, dass der Sensor ortsfest und das Magnetsystem bewegbar angeordnet ist. Die umgekehrte Anordnung ist ebenfalls denkbar.
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Der Erfindung liegt damit die grundsätzliche Idee zugrunde, in axialer Richtung mehrere Permanentmagnete, die diametral magnetisiert sind, relativ zueinander unbewegbar anzuordnen, so dass durch diese Anordnung der einzelnen Permanentmagnete eine definierte Winkelverschiebung in axialer Richtung realisiert ist. Durch diese Winkelverschiebung dreht sich bei Bewegung des Messobjektes bzw. des Magnetsystemes der magnetische Winkel über eine definierte Messlänge, insbesondere die gesamte Messlänge, um 360 Grad, so dass durch die Winkewerschiebung der Führungsgeometrie somit die Länge des Messsystemes definiert werden kann. Außerdem kann jederzeit aufgrund der Bestimmung des festgestellten magnetischen Winkels eine Aussage darüber getroffen werden, an welcher Stelle sich das Messobjekt relativ in Bezug zu einem Bezugspunkt, vorzugsweise der Einbauort des Sensors, befindet.
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Im Folgenden werden verschiedene Realisierungen eines solchen Magnetsystemes vorgestellt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Permanentmagnete mit ihren Stirnseiten zueinander aneinandergefügt, so dass sich die definierte Winkelverschiebung in axialer Richtung ergibt. Dieses Zusammenfügen erfolgt in vorteilhafter Weise durch einen Klebevorgang, so dass sich durch die axiale Anordnung mehrerer Permanentmagnete hintereinander ein stangenförmiges Magnetsystem ergibt.
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In einer alternativen Ausgestaltung weisen die Permanentmagnete eine Öffnung auf und sind auf einem Träger angeordnet. Dadurch lassen sich auf einfache Art und Weise in geeigneter Anzahl die Permanentmagnete auf dem Träger anordnen, wobei dabei sicherzustellen ist, dass bei der Anordnung der Permanentmagnete auf dem Träger die definierte Winkelverschiebung der Permanentmagnete in axialer Richtung realisiert ist. Zur einfachen Herstellung solcher Permanentmagnete ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Öffnung in dem Permanentmagnet eine runde Öffnung ist und der Träger als Stange ausgebildet ist. Mit oder nach der Herstellung des eine runde Öffnung ist und der Träger als Stange ausgebildet ist. Mit oder nach der Herstellung des Permanentmagnetes kann die Öffnung vorgesehen werden, die insbesondere nachträglich nach der Herstellung des Permanentmagneten als Bohrung eingebracht wird. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn der Permanentmagnet aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Kunststoffmaterial besteht. Der als Stange ausgebildete Träger lässt sich ebenfalls auf einfache Art und Weise realisieren und kann durch einfaches Abschneiden einer Stange auf die gewünschte Länge, insbesondere die Messlänge, gebracht werden. Auch hierbei ist wieder darauf zu achten, dass die einzelnen Permanentmagnete die definierte Winkelverschiebung in axialer Richtung aufweisen, wenn sie auf dem Träger angeordnet sind. Dazu ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Permanentmagnete auf dem Träger verspannt unbewegbar zueinander angeordnet sind. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die mehreren Permanentmagnete in der definierten Winkelverschiebung in axialer Richtung zueinander auf dem Träger angeordnet werden und die beiden Permanentmagnete am Anfang und am Ende des Trägers unter axialem Druck auf die anderen Permanentmagnete auf der Stange festgelegt, beispielsweise verklebt, werden. Alternativ dazu ist es denkbar, am Anfang und am Ende der Stange ein Außengewinde aufzubringen, so dass dort entweder ein Permanentmagnet und/oder ein zusätzliches Element (zum Beispiel eine Mutter) aufgeschraubt werden, nachdem die einzelnen Permanentmagnete in ihrer lagerichtigen Position auf der Stange angeordnet worden sind, um diese damit auf dem Träger verspannt unbewegbar zueinander anzuordnen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Permanentmagnete auf dem Träger, insbesondere der Stange, verklebt. Damit steht eine besonders einfache Möglichkeit zur Verfügung, um die Permanentmagnete lagerichtig auf dem Träger dauerhaft anzuordnen und unbewegbar zueinander zu befestigen, um das Magnetsystem realisieren zu können. Dabei kann daran gedacht werden, einen ersten Permanentmagnet auf dem Träger zu verkleben und abzuwarten, bis der Kleber ausgehärtet ist. Danach wird der nächste Permanentmagnet aufgeklebt und wiederum abgewartet, bis der Klebstoff ausgehärtet ist. Dieses Vorgehen wird so lange durchgeführt, bis das gesamte Magnetsystem fertig ist, das heißt bis alle Permanentmagnete lagerichtig auf dem Träger angeordnet sind. Um alternativ das Verfahren zu beschleunigen, kann daran gedacht werden, mit geeigneten Maßnahmen alle Permanentmagnete (oder gruppenweise) auf dem Träger anzuordnen und dann in einem einzigen Schritt diese auf dem Träger zu verkleben. Dies hat den Vorteil, dass alle Permanentmagnete auf dem Träger lagerichtig angeordnet werden können und dann, wenn sichergestellt ist, dass die einzelnen Permanentmagnete eine definierte Winkelverschiebung in axialer Richtung aufweisen, der Kleber aktiviert und damit die einzelnen Magnete unbewegbar zueinander und dauerhaft auf dem Träger festgelegt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Magnetsystem mit Kunststoff umspritzt. Nachdem die Permanentmagnete auf dem Träger lagerichtig festgesetzt worden sind, kann, aber muss nicht, das Magnetsystem mit einem Kunststoff umspritzt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Permanentmagnete vor äußeren Einflüssen geschützt sind. Von ganz besonderem Vorteil ist es, wenn das Magnetsystem Bestandteil des Messobjektes wird und in diesem vorzugsweise durch Kunststoffumspritzung integriert ist. Das bedeutet, dass mit Herstellung des Messobjektes oder einem Teil des Messobjektes das Magnetsystem in diesem schon integriert werden kann, so dass weitere Herstellungsschritte zur separaten Realisierung des Magnetsystemes entfallen können.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die einzelnen Permanentmagnete eine mechanische Führungsgeometrie aufweisen, die im Folgenden anhand der 1 und 2 unter Bezugnahme auf weitere Unteransprüche beschrieben und näher erläutert werden.
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1 zeigt, soweit im Einzelnen dargestellt, eine Sensorvorrichtung 1, die (zumindest) einen Sensor 2 und ein Magnetsystem 3 umfasst. Das Magnetsystem 3 erstreckt sich in axialer Richtung und kann an dem Sensor 2 vorbeibewegt werden. Der Sensor 2, beispielsweise ein Hall-Element, ist ortsfest, wobei in diesem Fall das Magnetsystem 3 relativ zu dem ortsfesten Sensor 2 bewegbar ist. Ebenso ist es umgekehrt denkbar, dass das Magnetsystem 3 ortsfest ist und der Sensor 2, der sich dann an dem Messobjekt befindet, relativ zu dem Magnetsystem 3 bewegt werden kann.
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In 1 ist die grundsätzliche Ausgestaltung der Erfindung erkennbar, dass nämlich zwei oder mehr als zwei Permanentmagnete 4 vorhanden sind. Dabei ist es ebenfalls erfindungswesentlich, dass die zwei oder mehr als zwei Permanentmagnete 4 diametral magnetisiert sind und eine definierte Winkelverschiebung zueinander in axialer Richtung aufweisen, so dass sich dadurch ein um die axiale Achse drehendes Magnetfeld ergibt, das von dem Sensor 2 bei der relativen Bewegung zwischen dem Sensor 2 und dem Magnetsystem 3 erfasst und ausgewertet werden kann. In 1 ist erkennbar, dass insgesamt elf Permanentmagnete 4 vorhanden sind, wobei sich die Anzahl der Permanentmagnete 4 nach der Geometrie der Permanentmagnete 4, insbesondere deren axialer Länge, und der Länge des Magnetsystemes 3 richtet. In 1 ist noch nicht dargestellt, dass die Permanentmagnete 4 eine mechanische Führungsgeometrie an den Stirnseiten aufweisen, um die Permanentmagnete 4 eindeutig zusammenbauen zu können. Dies wird in Zusammenhang mit 2 noch näher erläutert. In 1 ist gezeigt, dass bei diesem Ausführungsbeispiel die vorhandenen Permanentmagnete 4 auf einem Träger 5 angeordnet sind. Dieser Träger 5 kann beispielsweise eine Stange, vorzugsweise aus einem nicht magnetischen Material wie Kunststoff, hergestellt sein. Dieser Träger 5 schließt entweder mit der jeweiligen Stirnseite der beiden äußeren Permanentmagnete 4 ab oder steht etwas darüber hinaus. Letztgenanntes wird dann der Fall sein, wenn dort in dem überstehenden Bereich ein Gewinde vorgesehen ist, auf das eine Mutter aufgeschraubt wird, wobei die beiden Muttern am stirnseitigen Ende gekontert werden, um die auf dem Träger 5 vorhandenen Permanentmagnete 4 dauerhaft und unbewegbar zueinander festzulegen. Bei dieser Maßnahme ist allerdings darauf zu achten, dass die definierte Winkelverschiebung in axialer Richtung durch die auf dem Träger 5 angeordneten Permanentmagnete 4 erzielt wird.
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In 2 ist dargestellt, dass ein einzelner Permanentmagnet 4, der diametral magnetisiert ist, eine mechanische Führungsgeometrie an seinen Stirnseiten hat, um die mehreren Permanentmagnete 4 eindeutig zusammenbauen, insbesondere auf dem Träger 5, festlegen zu können. So ist in 2, wie auch im zugehörigen Unteranspruch, angegeben und ersichtlich, dass jeder Permanentmagnet zunächst, unabhängig von seiner mechanischen Führungsgeometrie, eine Öffnung, insbesondere eine Bohrung 6 aufweist. Ohne eine mechanische Führungsgeometrie werden solche Permanentmagnete 4 auf dem Träger 5 festgelegt und in der vorstehend beschriebenen Weise auf dem Träger 5 verklebt oder verspannt.
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Ergänzend oder alternativ dazu können, müssen aber nicht, die Permanentmagnete die Führungsgeometrie aufweisen. Diese ist in vorteilhafter Weise dadurch realisiert, dass jeder Permanentmagnet 4 auf seiner einen Stirnseite einen Vorsprung 7 und auf seiner anderen Stirnseite eine damit korrespondierende Ausnehmung 8 aufweist, die zueinander versetzt ausgerichtet sind. Werden die einzelnen Permanentmagnete 4 nacheinander in axialer Richtung auf dem Träger 5, insbesondere die Stange, aufgebracht, greift ein Vorsprung 7 des einen Permanentmagneten 4 in die korrespondierende Ausnehmung 8 des anderen Permanentmagneten 4 usw. Durch den Versatz der jeweiligen Vorsprünge 7 und der korrespondierenden Ausnehmungen 8 wird mit Aufbringen der Permanentmagnete 4 auf dem Träger 5 die definierte Winkelverschiebung in axialer Richtung realisiert, so dass durch diese Winkelverschiebung beim Zusammenbau der mehreren einzelnen Permanentmagnete 4 ein sich um die axiale Achse des Trägers 5 drehendes Magnetfeld ergibt. So ist zur Realisierung des Versatzes zweier Permanentmagnete 4 zueinander vorgesehen, dass (bei Betrachtung der 2) zum Beispiel der Vorsprung 7 immer an der gleichen Stelle (zum Beispiel auf der y-Achse) auf der einen Stirnseite und die korrespondierende Ausnehmung 8 um einen bestimmten Winkel gegenüber der y-Achse versetzt angeordnet ist. Durch geeignete Wahl des Winkelversatzes von Vorsprung 7 und Ausnehmung 8 eines jeweiligen Permanentmagneten 4 kann somit in Abhängigkeit der gewünschten Länge des Magnetsystemes 3 bzw. der gewünschten Messstrecke ein sich um die axiale Achse des Trägers 5 drehendes Magnetfeld erzeugt werden. Dadurch ist es möglich, den magnetischen Winkel zu messen und auszuwerten. In besonders vorteilhafter Weise kann, muss aber nicht, das Magnetsystem 3 so ausgelegt werden, dass sich der magnetische Winkel über die gesamte Messlänge (axiale Länge des Magnetsystemes 3) um 360 Grad dreht.
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Von ganz besonderem Vorteil ist es, wenn alle Permanentmagnete 4, egal ob mit oder ohne mechanische Führungsgeometrie an den Stirnseiten, gleichgestaltet sind. Dadurch lässt sich kostengünstig das zuvor beschriebene Magnetsystem 3 realisieren. Dies ist insbesondere bei der Serienproduktion solcher Magnetsysteme 3 für Sensorvorrichtungen 1 von Vorteil, da dadurch auch eine hohe Flexibilität gegeben ist. Die hohe Flexibilität resultiert daraus, dass in Abhängigkeit der axialen Länge des Magnetsystemes 3 und/oder in Abhängigkeit der Wegstrecke, die erfasst werden soll, in geeigneter Anzahl die Permanentmagnete 4 zusammengefügt bzw. auf dem Träger 5 angeordnet werden können. Weiterhin ist es von besonderem Vorteil, wenn die Permanentmagnete 4 zylinderförmig gestaltet sind, so dass sie einen runden Querschnitt aufweisen. Hierdurch ist es besonders einfach, das Magnetsystem 3 zu realisieren, da bei einem runden Querschnitt der Permanentmagnete 4 eine sehr gute automatisierte Handhabbarkeit gegeben ist. Außerdem lassen sich solche zylinderförmigen Magnetsysteme 3 sehr gut in einem Kunststoffspritzgussverfahren einsetzen, egal ob das Magnetsystem 3 eigenständig von einem Kunststoff (als äußeren Schutz) umspritzt ist oder beim Umspritzvorgang zur Herstellung des Messobjektes mit in ein Werkzeug eingelegt wird.
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Wenn alle einzelnen Permanentmagnete dieselben mechanischen Abmessungen und magnetischen Eigenschaften aufweisen, können dadurch alle Permanentmagnete zur Realisierung des Magnetsystemes 3 als Gleichteil verwendet werden, wodurch eine sehr hohe Kostenersparnis gegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorvorrichtung
- 2
- Sensor
- 3
- Magnetsystem
- 4
- Permanentmagnet
- 5
- Träger
- 6
- Bohrung
- 7
- Vorsprung
- B
- Ausnehmung
- X
- X-Achse
- Y
- Y-Achse
- N
- Nordpol des Magneten
- S
- Südpol des Magneten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010053217 A1 [0002]
