DE102012101081B4

DE102012101081B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Krafterfassung

Info

Publication number: DE102012101081B4
Application number: DE102012101081.1A
Authority: DE
Inventors: Janez Trontelj; Blaz Smid
Original assignee: UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO
Current assignee: UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2023-08-31
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: AT512463A2; AT512463B1; AT512463A3; DE102012101081A1

Abstract

Verfahren zur Messung von Kraft oder davon abgeleiteten Größen, wie Druck, Drehmoment, Beschleunigung oder Gewicht, wobei zumindest zwei Permanentmagnete, welche in Richtung einer Vektorkomponente, insbesondere im Wesentlichen in der Hauptrichtung der zwischen Ihnen wirkenden magnetischen und vom Abstand abhängigen Kraft oder in Richtung einer Vektorkomponente, insbesondere im Wesentlichen in der Hauptrichtung der davon abhängigen Größe relativ zueinander beweglich angeordnet sind und wobei sich dabei mindestens zwei magnetische Pole einen Spalt bildend im Abstand gegenüberstehen, dadurch gekennzeichnet, dass,i) zumindest einer der Permanentmagneten jedes solcherart angeordneter Permanentmagnetpaares von mit der zu messenden entgegengesetzt wirkenden Kraft oder von einer zu messenden davon abgeleiteten entgegengesetzt wirkenden Größe den Spalt verändernd in jenen Abstand relativ zum zugeordneten zweiten Magneten des Permanentmagnetpaares übergeführt wird, für den die Summe der durch die zwischen den Permanentmagnetpaaren wirkenden magnetischen Kräfte und der mechanisch aufgebrachten Gegenkräfte oder davon abgeleiteten Größen in Richtung der Beweglichkeit gleich null wird, undii) dass die von der Messgröße abhängige magnetische Feldstärke aufgrund des Abstandes zwischen den Magneten jedes Permanentmagnetpaares im Gleichgewicht über zumindest einen Magnetfeldsensor innerhalb jedes durch dieses Verfahren gebildeten Spalts als direkt proportionale elektrische Größe erfasst wird,iii) dass das Ausgangs-Signal jedes für die Bestimmung der zur messenden Größe erforderlichen Magnetfeldsensors in eine für das Ausgangs-Signal geeignete Signalverarbeitungs-, Ausgabe- und/oder Anzeigevorrichtung geleitet wird, undiv) dass die Magnete als flächige Anbringungen auf mikromechanischen Strukturen (MEMS) vorzugsweise Membranen ausgebildet sind und oberhalb und unterhalb des Integrierten Schaltkreises angeordnet sind und dass die magnetischen Polflächen größer als die Magnetfeldsensoren sind, jedoch eine maximale Ausdehnung von 5mm, vorzugsweise von 1mm, vorzugsweise im Bereich von 10 µm bis 100 µm sind.

Description

Durch geeignete Anordnung von Magneten und magnetischen Feldsensoren, sowie durch die Auswertung der aufgeprägten Kräfte im Gleichgewichtsfall mittels Feldmessung bietet diese Erfindung für viele Krafterfassungs-Anwendungen eine praktische Alternative zu herkömmlichen Methoden, beispielsweise gegenüber Piezo-Sensorik.
Stand der Technik
In der Literatur findet man unterschiedliche Anwendungen, die Magnete kombiniert in abstoßender oder anziehender Wirkrichtung einsetzen und entweder induktive Sensoren, magnetfeldabhängige Widerstände oder Hallsensoren verwenden, um Informationen über die Relativbewegung des Sensorelementes innerhalb des magnetischen Feldes oder über die Relativbewegung von den Magneten zueinander zu erhalten:

Das Patent US 6670805 offenbart einen Abstandssensor, der die Position von zwei Magneten relativ zu einem eingebetteten Magnetsensor erfasst. Entweder wird ein Magnet gegenüber dem anderen in seinem Abstand verändert, oder es wird die relative Position des Sensors innerhalb eines konstanten Spaltes verändert. Der Erfinder dieser Vorrichtung verwendet zwei Magnete und einen Sensor. Die Magnete sind axial N-S voneinander abstoßend ausgerichtet. Einige Merkmale sind dabei ähnlich wie in der vorgestellten Erfindung. Eine genannte Feder dient nur als unterstützendes Element um einen Minimalabstand zwischen den Magneten nicht zu unterschreiten. Die abstoßende Kraft vergrößert den Abstand der Magnete. Die Entfernung derselben voneinander wird gemessen. Der Bewegungsspielraum wird durch einen Stopper beschränkt. Dieser dient dazu den Maximalabstand, der durch die abstoßenden Kräfte der Magnete verursacht wird, vorzugeben. Der Minimalabstand, der durch zugeführte Beschleunigung 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 Relativposition der Magnete zueinander spiegelt die erforderliche Kraft wider, die zum Halten der Position gegen die Feder und gegen die Kraft aufgrund des Magnetfeldes erforderlich ist (Gleichgewicht). Folglich ist der Abstand auch ein Indikator für die angewandte Kraft. Dieses System misst eine Entfernung in einer nichtlinearen Übertragungsfunktion und mit hoher Temperaturabhängigkeit. Zusätzlicher Aufwand ist für Linearisierung und Temperatur-Abhängigkeitskompensation erforderlich.

Das Gebrauchsmuster DE 8120655 U zeigt einen Drucksensor. In diesem Beispiel wird der Sensor innerhalb von einem Magnetpaar bewegt. Der Sensor ist auf einer Membran angeordnet, dessen Auslenkungen gemessen werden. Der zweite Magnet kann in der Position verändert werden, um die Überertragungscharakteristik einzustellen. Der Abstand zwischen den Magneten bleibt unverändert und es erfolgt keine Erfassung einer Magnet-Bewegung.
Im Aufprall-Erfassungssensor in US5723789 wird ein Magnet in beweglicher Anordnung von einer Spule sensorisch erfasst.
Die deutsche Veröffentlichungsschrift DE3809887 (ein Sensor für mechanische Bewegungserfassung) zeigt eine weitere Sensor-Magnetanordnung. Insbesondere zeigen 4a und 4b einen magnetabhängigen Widerstandssensor, der in der Nähe eines Spalts zwischen zwei Magneten angeordnet ist.
Aus der AT 510532 A1 , der DE 2842140 A1 , der EP 0884572 A1 und der DE 10 2004 011 591 A1 sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Kraftmessung oder einer davon abgeleiteten Größe bekannt, wobei zwei Permanentmagnete relativ zueinander beweglich sind und zwischen den Permanentmagneten ein Spalt vorhanden ist. Durch die zu messende Kraft wird der Spalt zwischen den Permanentmagneten verändert, wobei die sich dadurch ergebende Magnetfeldänderung mit einem Magnetsensor, der sich zwischen den beiden Permanentmagneten befindet, detektiert und anschließend einer Auswerteeinrichtung zugeführt.
Aufgabe der Erfindung
Die vorgestellte Erfindung soll eine geeignete Alternative zu gängigen Piezo-Sensor basierten Kraftmessern sein.
Eine geschickte Sensor-Magnet-Anordnung wurde gesucht, die zum Messen von Kraft oder Druck geeignet ist und geringe Temperaturabhängigkeit und hohe Linearität aufweist. Diese Anordnung soll geringen bis keinen Kalibrier-, Korrektur- oder Signalkonditionier-Aufwand erfordern, wobei ein erkanntes und nachgewiesenes lineares Abhängigkeitsverhältnis einer Übertragungsfunktion genutzt werden soll. Das Verfahren und die Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens soll einschrittig zielgerichtet funktionieren und nicht wie bei bekannten Methoden zwei oder mehr Schritte benötigen, wie im Beispiel einer Veränderung des Abstandes durch Anwenden einer Kraft gegen eine nicht magnetische Gegenkraft um dann das kraftabhängige Abstands-Mess-Signal eines Magnetfeld-Sensors gegenüber einem Magneten in das Kraftsignal umzurechnen. Während bekannte Sensoren meist in einem ersten Schritt die Bewegung eines Magnetes gegen eine Feder erfassen, wodurch sich die Kraft in einem zweiten Schritt aufgrund des bekannten Verhältnisses aus der Federverformung und dem dadurch verbundenen Abstand zwischen Sensor und Magnet oder zwischen zwei Magneten berechnen lässt, ermöglicht der vorgeschlagene Sensor jenes Magnetfeld zu erfassen, das einen linearen Zusammenhang zur abstoßenden oder alternativ zur anziehenden Gegenkraft aufweist, einer Kraft die zur Feldstärke direkt proportional ist. Ziel ist es ein System zu definieren, bei dem die Kraftänderung direkt die Magnetfeldstärke am Schaltkreis verändert.
Lösung der Aufgabe
Erfindungsgemäß wird die Aufgabenstellung durch ein Verfahren gelöst, das die Aufgabenstellung einer Messung von Kraft oder davon abgeleiteten Größen, wie Druck, Drehmoment, Beschleunigung oder Gewicht hat. Dazu sind entsprechend ähnlicher bekannter Anordnungen zumindest zwei Permanentmagnete, welche in Richtung einer Vektorkomponente, insbesondere im Wesentlichen in der Hauptrichtung der zwischen Ihnen wirkenden magnetischen und vom Abstand abhängigen Kraft oder in Richtung einer Vektorkomponente, insbesondere im Wesentlichen in der Hauptrichtung der davon abhängigen Größe relativ zueinander beweglich angeordnet sind und wobei sich dabei mindestens zwei magnetische Pole einen Spalt bildend im Abstand gegenüberstehen.
Die Lösung der Aufgabe ist nun darin zu sehen, dass

i) zumindest einer der Permanentmagneten jedes solcherart angeordneter Permanentmagnetpaares von mit der zu messenden entgegengesetzt wirkenden Kraft oder von einer zu messenden davon abgeleiteten entgegengesetzt wirkenden Größe den Spalt verändernd in jenen Abstand relativ zum zugeordneten zweiten Magneten des Permanentmagnetpaares übergeführt wird, für den die Summe der durch die zwischen den Permanentmagnetpaaren wirkenden magnetischen Kräfte und der mechanisch aufgebrachten Gegenkräfte oder davon abgeleiteten Größen in Richtung der Beweglichkeit gleich null wird, und
ii) dass die von der Messgröße abhängige magnetische Feldstärke aufgrund des Abstandes zwischen den Magneten jedes Permanentmagnetpaares im Gleichgewicht über zumindest einen Magnetfeldsensor innerhalb jedes durch dieses Verfahren gebildeten Spalts als direkt proportionale elektrische Größe erfasst wird,
iii) dass das Ausgangs-Signal jedes für die Bestimmung der zur messenden Größe erforderlichen Magnetfeldsensors in eine für das Ausgangs-Signal geeignete Signalverarbeitungs-, Ausgabe- und/oder Anzeigevorrichtung geleitet wird, und
iv) dass die Magnete als flächige Anbringungen auf mikromechanischen Strukturen (MEMS) vorzugsweise Membranen ausgebildet sind und oberhalb und unterhalb des Integrierten Schaltkreises angeordnet sind und dass die magnetischen Polflächen größer als die Magnetfeldsensoren sind, jedoch eine maximale Ausdehnung von 5mm, vorzugsweise von 1mm, vorzugsweise im Bereich von 10µm bis 100µm sind.

Zur Durchführung des Verfahrens wird des weiteren erfindungsgemäß eine Vorrichtung vorgestellt, die

i) zumindest ein Permanentmagnet-Paar aufweist, deren Magnete im Abstand gegenüber angeordnet sind und deren magnetische Polflächen zumindest näherungsweise parallel einander gegenüberstehen und in einer Orientierungslage sind, in welcher die größten Anziehungskräfte zwischen den Permanentmagneten wirken, und
ii) eine Distanzier-Vorrichtung zur Wahrung eines Minimalabstandes zwischen den Polflächen in zumindest einer Ausführung aus der Gruppe Distanzplatte, Distanzhülse, Hohlführung mit zumindest einer Innennase, eine Distanz-Feder vorzugsweise eine Blatt-, eine Kegel-, eine Teller-, Membran-, Evolut-, oder Schraubfeder aufweist, und
iii) einen Magnetfeldsensor zwischen den einander gegenüberstehenden magnetischen Polflächen aufweist
iv) an zumindest einem Permanentmagneten eine Vorrichtung zur Gegenkraft-Aufbringung vorzugsweise in Form eines Hebels oder eines hydraulischen oder pneumatischen Druckraumes vorgesehen ist, und
v) dass die Magnete als flächige Anbringungen auf mikromechanischen Strukturen (MEMS) vorzugsweise Membranen ausgebildet sind und oberhalb und unterhalb des Integrierten Schaltkreises angeordnet sind und dass die magnetischen Polflächen größer als die Magnetfeldsensoren sind, jedoch eine maximale Ausdehnung von 5mm, vorzugsweise von 1mm, vorzugsweise im Bereich von 10µm bis 100µm sind.

Andererseits ist vorteilhaft, wenn eine solche Vorrichtung zumindest ein Permanentmagnet-Paar aufweist, deren Magnete im Abstand gegenüber angeordnet sind, und deren magnetische Polflächen zumindest näherungsweise parallel durch Führungs- und Begrenzungseinrichtungen einander gegenüber gehalten werden und in einer Orientierungslage sind, in welcher die größten Abstoßungskräfte zwischen den Permanentmagneten wirken. Auch in dieser Ausführung ist vorgesehen, dass ein Magnetfeldsensor zwischen den einander gegenüberstehenden magnetischen Polflächen angeordnet ist.An zumindest einem Permanentmagneten kann eine Vorrichtung zur Gegenkraft-Aufbringung vorzugsweise in Form eines Hebels oder eines hydraulischen oder pneumatischen Druckraumes befinden.
Bei solchen Vorrichtungen ist es besonders vorteilhaft, wenn der Magnetfeld-Sensor in integrierter Bauform als Integrierter Schaltkreis ausgeführt ist, vorzugsweise mit zumindest einem Hall-Sensor, oder zumindest einem magnetfeldabhängigem Widerstand vorzugsweise aus Wismut oder einer GMR (Giantmagnetoresistor-)Struktur und vorzugsweise zusammen mit einer Auswerteschaltung gebildet ist.
Dazu ist es von Vorteil, wenn die Magnete und der Integrierte Schaltkreis in einem Gehäuse untergebracht sind, indem die integrierte Schaltung von zumindest einem Permanentmagnetenpaar eingebettet ist, und wenn für die Vorrichtung zur Aufbringung der Gegenkraft zumindest eine Anschlussschnittstelle am Gehäuse vorgesehen ist.
Günstig ist es, wenn die Vorrichtung zumindest zwei von einem Spalt getrennte jeweils einander gegenüberliegende Polpaare von zumindest drei Permanent-Magneten aufweist, die in entgegengesetzter Wirkrichtung die magnetischen Kräfte ausüben, vorzugsweise zur Kompensation von Gleichfeldunterdrückung oder zur Kompensation von Fehlern aufgrund von Gravitationskräften. Zum Beispiel kann ein Magnet zentral zwei äußere Magnete anziehen.
In manchen Anwendungen ist es vorteilhaft wenn eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung ein Bestandteil einer zwei oder dreidimensionalen Sensormatrix ist.
Die Erfindung wird anhand nachfolgender Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

1 zeigt die grundsätzliche Anordnung 100 von zwei Permanentmagneten 101,102 und einem Magnetfeld-Sensor 103. Dabei wirkt Abstoßung aufgrund der Magnetorientierung gegen eine über die Außenseite der beiden Magnete aufgebrachte Zusammenpress-Kraft 107, wodurch der eine Magnet in Richtung 106 in eine ausbalancierte Position 104 in Bezug auf die Oberfläche des Sensors gebracht wird. Der Minimalabstand ist als Differenz des Maximalabstandes 104 von der Frontseite des beweglichen Magnetes zur Oberseite des Sensors abzüglich dem maximalem erlaubten Bereich 105 für den Stellweg definiert.
2 zeigt die nichtlineare Kennlinie der magnetischen Kraftabhängigkeit F_m (Abnahme) vom Abstand x innerhalb des Bereiches x_min bis x_max zwischen den Polflächen mit der gleichen Polarität in einer Anordnung wie sie 1 zeigt. 2a zeigt das Ergebnis der Messung eines ersten Prototyps mit bestimmten Dimensionen. Dieser diente dem Nachweis der Wirkungsweise, wobei zwei AlNiCo-Zylindermagnete mit einer Höhe von 1mm und einem Durchmesser von 3 mm verwendet worden sind. Die verursachte Kraftabstoßung wurde mechanisch gemessen und das damit verbundene Magnetfeld wurde durch integrierte Hallsensoren erfasst. Der Sensor wurde ca. 1 mm oberhalb des einen Magneten fixiert. Der zweite beweglich gelagerte Magnet wurde dem gegenüber im Abstand von 0.5 bis 4.5 mm zum Sensor bewegt. Dabei war der Minimalabstand der effektiven Sensorfläche in einem Gehäuse zur Außenfläche des Gehäuses war dabei 0.5 mm.
3 und 3a zeigen die Kennlinien der Magnetfeldsensors-Ausgangssignale, die linear abnehmenden Abhängigkeiten vom Kraftgleichgewicht innerhalb der Messgrenzen F_min und F_max zeigen. Dabei sind die externen Zusammenpress-Kräfte und die magnetischen Abstoßkräfte im Gleichgewicht wie in 1 gezeigt. 3a spiegelt die Daten für die Prototypenanordnung wider, wie sie in der Beschreibung zu 2a vorgestellt ist.
4 zeigt das nichtlineare Signal out des Sensors als Funktion der ausbalancierten Abstands-Position x der Magnete bei Kräftegleichgewicht entsprechend der Anordnung wie in 1 innerhalb des Messbereiches von x_min bis x_max. 4a zeigt wieder die gemessenen Ergebnisse mit der oben beschriebenen Prototyp-Anordnung.
5 zeigt die zweite grundsätzliche Anordnung 200 zweier PermanentMagnete 201,202 mit einem Magnetfeldsensor 203. Dabei wirkt Anziehung aufgrund der Magnet-Orientierung gegen zumindest an der Außenseite mindestens eines Magneten wirkende Zugkraft 207, wodurch der Magnet in Richtung 206 in eine ausbalancierte Position 204 bezogen auf die Sensor-Oberfläche gebracht wird. Der maximale Abstand 205 ist festgelegt, wobei hier das Sensorsignal einen Minimalwert des Systems ergibt.
6 zeigt die nichtlineare Kennlinie der magnetischen Kraftabhängigkeit F_m in abnehmender Abhängigkeit vom Abstand x zwischen den magnetischen unterschiedlich orientierten Pol-Gebieten entsprechend zu 5.
7 zeigt die linear ansteigende Kennlinie als Ausgangssignal des Magnetfeldsensors in Abhängigkeit vom Kräfte-Gleichgewicht innerhalb der Grenzen F_min und F_max, wobei die außen angreifenden Sog- oder Zugkräfte und die magnetische anziehende Kraft F_m sich im Gleichgewicht.
8 veranschaulicht das sich ergebende nichtlineare Signal out des Sensors als Funktion der balancierten Position x der Magnete bei Kräftegleichgewicht innerhalb des Messbereiches von x_min bis x_max. Die Abbildungen 6a, 7a and 8a zeigen die korrespondierenden Prototyp Mess-Ergebnisse die beim Prototyp mit Zylindermagneten aus AlNiCo mit den Abmessungen: 3 mm Durchmesser und 1mm Höhe und mit einer Integrierten Hallsensor-Schaltung entsprechend der Anordnung von 5 erhalten wurden. Dabei stimmen die Kennlinien prinzipiell mit den Annahmen bzw. Simulationsdaten entsprechend den Abbildungen in 6, 7 und 8 überein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
Die 9, 9a zeigen eine jeweils eine grobe Skizze eines integrierten KraftSensors und zwar in zwei verschiedenen Positionen der Magnete in einander abstoßender Anordnung.
10, 10a zeigen eine grobe Skizze von einem integrierten Kraft-Sensor und zwar in zwei verschiedenen Positionen der Magnete in einander anziehender Anordnung.

Vergleicht man die zwei unterschiedlichen Anordnungen gezeigt in 1 und 5 erhält man unterschiedliche Aspekte.
Die Magnete können jeweils verschiedene Grundform haben, vorzugsweise sind sie kubisch, zylindrisch (scheibenförmig) oder kubisch oder quaderförmig. Material, Dimensionierung und Formgebung richten sich nach dem zu messenden Messbereich (für die Kraft oder den Druck oder dazu abgeleiteten Größen, der Messumgebung und nach der gewünschten Gehäuseform (auch Design). Die bevorzugte Form für die Magnete ist zylindrisch. Symmetrie in der Magnetformgebung ist nicht notwendig.
Günstig in einer Anwendung mit anziehenden Magnetkraftwirkung (vgl. 5) erweist sich das Selbstausrichtungs-Verhalten.
In der Umgebung eines magnetischen Mess-Systems kann magnetisches und metallisches Material, insbesondere magnetisierbares Material einen Fehler verursachen. Da der Sensor jedoch zwischen sehr nahe angeordneten Magneten eingebettet ist, wirken sich magnetische oder metallische Objekte in der vergleichsweise größeren Entfernung vernachlässigbar aus, sofern der kleinste Signalausgang innerhalb des Mess-Weg-Bereiches noch immer groß ist im Vergleich zu jenem Signal, das durch die Störgrößen erzeugt werden könnte. Auch Feldverzerrungen sollten geringer sein damit der Fehler kleiner wird als der maximal zulässige Fehler.
Da die Magnete 101, 102 in 1 in einander abstoßender Orientierung zueinander angeordnet sind, verursacht das magnetische Feld Kräfte und ein Drehmoment auf den frei beweglichen Magneten 101 wenn der andere Magnet 102 gegenüber der Umgebung als fixiert betrachtet wird. Diese Kräfte oder diese Drehmoment könnte den Magneten 101 in eine für den anderen Magneten anziehende Position bringen oder zumindest in eine Position außerhalb der Symmetrieachse. Eine mechanische Führung soll solch ein Verhalten unterbinden. Die Anordnung in 1 sollte folglich in ein Gehäuse eingebracht werden, wodurch sich neue Kräfte aufgrund der Reibung ergeben können. Durch geeignete Oberflächen-Paarung kann Reibung vermieden oder stark verringert werden. Luft oder Gas innerhalb des Spaltes benötigt Ab- bzw. Zuströmwege, um nicht zusammengedrückt oder gedehnt zu werden, wenn die Messzyklen in rascher Abfolge stattfinden. Die Anordnung gemäß 1 ist geeignet für Kräfte oder davon hergeleitete 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 Masse bestimmter Größe ist und g die Gravitationskonstante ist.
Eine weitere Anwendung könnte eine berührungsempfindliche Fläche sein, wie in einem taktilen Sensor eines Roboter-Fingers. Zu beachten: Höhere Kräfte in der 1 bewirken kleinere Ausgangssignale am Sensor als niedrigere Kräfte: out = K₁₀ - K₁₁ · x, wobei K₁₀ und K₁₁ material- und formabhängige Konstanten sind.
Die Anordnung von 5 hat den Vorteil der Selbstausrichtung, Selbstzentrierung. Dabei neigen die Magnete dazu in die Position der geringsten potentiellen Energie zu gelangen. In diesem Fall müssen die Magnete voneinander gezogen werden, entgegen der Anziehungskraft der Magnete. Prinzipiell könnte einer der Magnete 201,202 auch durch ein anziehbares Material wie Eisen, Kupfer oder anderes ferromagnetisches Material ersetzt sein.
Die Magnetanordnung mit anziehender Kraftwirkung zwischen den Magneten eignet sich für Unterdrucksensoren, Vakuum-Sensoren oder Fluid-Strömungsmesser. Wird ein Halter an den beweglichen Magneten befestigt, ermöglicht ein Hebel, oder ein Rad, die zu messenden Kräfte auch in eine andere auch gegensätzliche Richtung umzuleiten. Unterschiedlich lange Hebelarme, von der Drehachse des Hebels gemessen, könnten auch das Weg-Kraftverhältnis hin zu anderer Übersetzung ändern. Zu beachten: Höhere Kraft verursacht in der Konfiguration von 5 ein größeres Ausgangssignal als kleinere Kraft: out = K₂₀ + K₂₁ · x, wobei K₂₀ und K₂₁ Konstanten in Abhängigkeit von Material und Form sind.
Ein großer Vorteil der Konfiguration in 5 verglichen mit der von 1 ist, dass in 5 Führungsvorrichtungen nicht erforderlich sind, um ein Driften der Magnete von ihrer optimalen Position aufgrund von Lateralkräften zu verhindern. Dafür ist der Nachteil die Instabilität des Gleichgewichtes.
Sind die anziehenden Magnete einander zu nahe und die Messkraft zu gering um eine vollständige Kompensation zu erreichen, dann wird der bewegliche Magnet unweigerlich zur nahest möglichen Position angezogen. Wenn jedoch der Abstand zu groß ist um die Gegenwirkung durch die Magnetkräfte zu erzielen, dann könnte der Magnet durch die externe Kraft sofort in die maximale Entfernungsposition gezogen werden, weit weg von der Gleichgewichtsposition der Kräfte.
Um diesen Nachteil zu umgehen wurde eine trickreiche Methode gefunden, wobei Federn eingesetzt werden, die das Wegdriften des Magneten vom Anziehungsbereich oder auch das Driften zum korrespondierenden Magneten verhindern.
Eine Feder wird mithilfe der magnetischen Anziehungskraft entweder zusammengedrückt oder auseinander gedehnt. Dabei entsteht ein Gleichgewicht Federkraft-Magnetkraft, wobei die Federkraft gleich groß ist wie die Anziehungskraft, jedoch in gegensätzlicher Wirkrichtung. Dann wird die zu messende Kraft hinzugefügt, wobei diese gegen die Federkraft zusätzlich wirkt:

F+Fm=F_Spring. Die Federkraft F_Spring stellt eine Linearfunktion zur Wegänderung dar. Das Ergebnis für die Kraft F = F_{Spring_compressed} - F_m = k_{Spring_compressed}. (l₁-d) - F_m oder F = F_{Spring_expanded} - F_m = k_{Spring_expanded}·d - F_m, wobei F_{Spring_compressed} die Federkraft im komprimierten Zustand ist, F_m die magnetische Kraft an dieser Stelle ist und F die gesuchte Kraftkomponente darstellt.

Die Anordnungen in 9, 9a, 10 und 10a zeigen zwei Magnete 1, 2 mit der Polorientierung N (Norden), S (Süden). Der Sensor (hier ein integrierter Hallsensor) 3 befindet sich in der Mitte einer Integrierten Schaltung 9, die vorzugsweise durch einen Silizium Halbleiter-Prozess hergestellt wird. Der Magnet 1 ist hier durch eine Fixierplatte 11 mit Ausnehmung für den Magneten positioniert. Dabei muss der Magnet genau unter dem Sensor 3 angeordnet werden. Eine Versiegelung 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 Bonddrähte 12 bedecken. Die Versiegelung verursacht einen Minimal-Abstand zum Sensor. Der Minimalabstand zwischen den Magneten 1, 2 wird weiter vergrößert durch ein Distanzierteil 19, welcher ein Schwamm oder ein flexibles Dämpfungsmaterial sein kann. Das Gehäuse 10 der integrierten Schaltung 9 und das mikromechanische System bestehend aus den Magneten und einer Membran 6 zusammen mit dem Membranhalter 20 bilden zwei Kammern 7 and 8. Diese können direkt mit einer Gasumgebung von unterschiedlichem Gasdruck in Verbindung stehen.
Um Gasdruckdifferenzen aufzubringen können zwei Verbindungsrohre 4 and 17 angedockt sein. Gas könnte durch Rohr 4 oder den Pfad 18 geführt werden. Die elektrischen Signale für die Versorgung des Sensors und zur Herausführung der Sensorsignale werden über Bonddrähte 12 mit den Anschluss-Beinen 13 am Gehäuse verbunden. Abhängig von der Orientierung 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 beweglichen Magneten übertragen werden. Auch kann ein Hebel dazu genutzt werden um die Kraftrichtung umzudrehen.
Die Anordnungen in 9 und 9a befinden sich in einem stabilen Gleichgewicht. Das ist daran ersichtlich, dass die Kraftvektoren bei unterschiedlichen Abständen der Magneten in gleicher Änderung mitgehen. Größerer Abstand bewirkt kleinere Abstoßkräfte, kleinerer Abstand bewirkt größere Abstoßkräfte. Das Rohr 4 ermöglicht eine Führung zusammen mit dem Kolben darin, sodass laterale Kräfte auf den abgestossenen Magneten verhindert werden.
Die Anordnungen in Form der 10 und 10a sind gleichgewichts-instabil. Zum Verbessern der Stabilität muss eine Feder eingebaut werden. Dann muss die externe Kraft zusätzlich gegen die Federkraft wirken. Die externe Kraft wird unterstützt durch die magnetische Kraft. Das so bestimmte Messsignal am Sensor dient dann der Messwertbestimmung.
Eine mögliche Ausführung der Feder könnte eine Membrane sein, wobei der Kolben 5 gegen die zunehmende Kraft wirken muss. Beim Kraftmaximum reduziert die Anziehungskraft der Magneten den linearen Federkraftanstieg bei der Membran. Das Ausgangssignal des Sensors muss um den Membrananteil korrigiert werden. Die Übertragungsfunktion der Membranauslenkung gegenüber der Kraft kann entweder genau bekanntes Verhalten besitzen oder einmal messtechnisch erfasst werden und zur Kalibrierung in der integrierten Schaltung gespeichert werden. Anstelle einer Membrane können andere Federn auch als Stabilisierelemente eingesetzt werden. Indem Federn mit definierten Kräften in Designs entsprechend 10, 10a hinzugefügt werden, kann dieses Beispiel noch stabilisiert werden. In diesem Fall sind die Kräfte unterschiedlich in der Größe wie bei den skizzierten Pfeilen (Vektoren) angedeutet.
Zur Anmerkung: Der Kolben und der Hebel müssen nicht verwendet werden, wenn Gasdruck anstelle mechanischer Kräfte zum Einsatz kommt. Die hier gezeigten Beispiele sollen nicht die Anzahl möglicher Anwendungen im Bezug auf die Erfindung einschränken.
Jegliche Temperatur-Änderung würde das Gleichgewicht insofern beeinflussen, dass sich ein anderer Abstand x ergibt. Die dazugehörige magnetische Feldstärke aufgrund dieses veränderten Abstandes ändert sich ebenfalls aber in entgegengesetzter Weise. Höhere Temperatur verursacht niedrigere Feldstärke. Zu einer gegebenen Kraft zum Zusammendrücken der einander abstoßenden Magnete, ergibt sich ein kleinerer Abstand, aber der Sensor zeigt den gleichen Wert auch bei zunehmender Temperatur. Im anderen Beispiel wirkt gegen die mechanische Kraft zum Auseinanderziehen der Magnete die magnetische Anziehungskraft; der Abstand muss verringert werden um die gleiche Amplitude zu erreichen, die dann infolge das gleiche Ausgangssignal wie bei der tieferen Temperatur generiert, soferne das Temperaturverhalten des Sensors unberücksichtigt bleibt.
Für das Gehäuse können Plastik oder Keramik-Materialien verwendet werden. AlNiCo Permanentmagnete können auf einer Silizium-Membrane angebracht sein. Zur Miniaturisierung kann ein integrierter anwendungsspezifischer Mikro-System-Schaltkreis bestehend aus Magneten, einer Silizium-Membran und einem integrierten Schaltkreis mit integrierten Hallsensoren gebildet werden. So eine Konstruktion ermöglicht die ressourcenschonende Massenproduktion kostengünstiger Sensoren in großen Mengen bei geringstem Einsatz von unterschiedlichem Materialien und Materialmengen.
Typische Anwendungen für den Sensor sind: Wasserstandsfühler in Waschmaschinen, Geschirrspülern oder anderen Geräten, Messeinrichtungen in der Produktion zur Erfassung von Kraft oder Druck und Sensoranwendungen in Automobilen. Verglichen mit Sensoren, die einen Magneten, eine Feder und einen Sensor verwenden ist das vorgestellt System wesentlich robuster und erreicht Linearitätsfehler kleiner als 1%.
Der maximale Abstandsbereich sollte bis 5mm oder sogar mehr betragen. Der maximale Druck oder Kraftbereich und der maximale Messweg hängt von der Magnetisierung, dem verwendeten Material und der Größe und Anzahl der Permanentmagneten sowie von der verwendeten Feder für die Nullposition ab.

Claims

Verfahren zur Messung von Kraft oder davon abgeleiteten Größen, wie Druck, Drehmoment, Beschleunigung oder Gewicht, wobei zumindest zwei Permanentmagnete, welche in Richtung einer Vektorkomponente, insbesondere im Wesentlichen in der Hauptrichtung der zwischen Ihnen wirkenden magnetischen und vom Abstand abhängigen Kraft oder in Richtung einer Vektorkomponente, insbesondere im Wesentlichen in der Hauptrichtung der davon abhängigen Größe relativ zueinander beweglich angeordnet sind und wobei sich dabei mindestens zwei magnetische Pole einen Spalt bildend im Abstand gegenüberstehen, dadurch gekennzeichnet, dass, i) zumindest einer der Permanentmagneten jedes solcherart angeordneter Permanentmagnetpaares von mit der zu messenden entgegengesetzt wirkenden Kraft oder von einer zu messenden davon abgeleiteten entgegengesetzt wirkenden Größe den Spalt verändernd in jenen Abstand relativ zum zugeordneten zweiten Magneten des Permanentmagnetpaares übergeführt wird, für den die Summe der durch die zwischen den Permanentmagnetpaaren wirkenden magnetischen Kräfte und der mechanisch aufgebrachten Gegenkräfte oder davon abgeleiteten Größen in Richtung der Beweglichkeit gleich null wird, und ii) dass die von der Messgröße abhängige magnetische Feldstärke aufgrund des Abstandes zwischen den Magneten jedes Permanentmagnetpaares im Gleichgewicht über zumindest einen Magnetfeldsensor innerhalb jedes durch dieses Verfahren gebildeten Spalts als direkt proportionale elektrische Größe erfasst wird, iii) dass das Ausgangs-Signal jedes für die Bestimmung der zur messenden Größe erforderlichen Magnetfeldsensors in eine für das Ausgangs-Signal geeignete Signalverarbeitungs-, Ausgabe- und/oder Anzeigevorrichtung geleitet wird, und iv) dass die Magnete als flächige Anbringungen auf mikromechanischen Strukturen (MEMS) vorzugsweise Membranen ausgebildet sind und oberhalb und unterhalb des Integrierten Schaltkreises angeordnet sind und dass die magnetischen Polflächen größer als die Magnetfeldsensoren sind, jedoch eine maximale Ausdehnung von 5mm, vorzugsweise von 1mm, vorzugsweise im Bereich von 10 µm bis 100 µm sind.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, sie i) zumindest ein Permanentmagnet-Paar aufweist, deren Magnete im Abstand gegenüber angeordnet sind und deren magnetische Polflächen zumindest näherungsweise parallel einander gegenüberstehen und in einer Orientierungslage sind, in welcher die größten Anziehungskräfte zwischen den Permanentmagneten wirken, und ii) eine Distanzier-Vorrichtung zur Wahrung eines Minimalabstandes zwischen den Polflächen in zumindest einer Ausführung aus der Gruppe Distanzplatte, Distanzhülse, Hohlführung mit zumindest einer Innennase, eine Distanz-Feder vorzugsweise eine Blatt-, eine Kegel-, eine Teller-, Membran-, Evolut-, oder Schraubfeder aufweist, und iii) einen Magnetfeldsensor zwischen den einander gegenüberstehenden magnetischen Polflächen aufweist iv) an zumindest einem Permanentmagneten eine Vorrichtung zur Gegenkraft-Aufbringung vorzugsweise in Form eines Hebels oder eines hydraulischen oder pneumatischen Druckraumes vorgesehen ist, und v) dass die Magnete als flächige Anbringungen auf mikromechanischen Strukturen (MEMS) vorzugsweise Membranen ausgebildet sind und oberhalb und unterhalb des Integrierten Schaltkreises angeordnet sind und dass die magnetischen Polflächen größer als die Magnetfeldsensoren sind, jedoch eine maximale Ausdehnung von 5mm, vorzugsweise von 1mm, vorzugsweise im Bereich von 10 µm bis 100 µm sind.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, sie i) zumindest ein Permanentmagnet-Paar aufweist, deren Magnete im Abstand gegenüber angeordnet sind und deren magnetische Polflächen zumindest näherungsweise parallel durch Führungs- und Begrenzungseinrichtungen einander gegenüber gehalten werden und in einer Orientierungslage sind, in welcher die größten Abstoßungskräfte zwischen den Permanentmagneten wirken, und ii) einen Magnetfeldsensor zwischen den einander gegenüberstehenden magnetischen Polflächen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeld-Sensor in integrierter Bauform als Integrierter Schaltkreis ausgeführt ist, vorzugsweise mit zumindest einem Hall-Sensor, oder zumindest einem magnetfeldabhängigem Widerstand vorzugsweise aus Wismut oder einer GMR (Giantmagnetoresistor-)Struktur und vorzugsweise zusammen mit einer Auswerteschaltung gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete und der Integrierte Schaltkreis in einem Gehäuse untergebracht sind, indem die integrierte Schaltung von zumindest einem Permanentmagnetpaar eingebettet wird und wobei für die Vorrichtung zur Aufbringung der Gegenkraft zumindest eine Anschlussschnittstelle am Gehäuse vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest zwei von einem Spalt getrennte jeweils einander gegenüberliegende Polpaare von zumindest drei Permanent-Magneten aufweist, die in entgegengesetzter Wirkrichtung magnetische Kräfte ausüben vorzugsweise zur Kompensation von Gleichfeldunterdrückung oder zur Kompensation von Fehlern aufgrund von Gravitationskräften.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Bestandteil einer zwei oder dreidimensionalen Sensormatrix ist.