DE102014204661A1

DE102014204661A1 - Magnetfeldsensor zur Erfassung eines Magnetfeldes und Verfahren

Info

Publication number: DE102014204661A1
Application number: DE102014204661.0A
Authority: DE
Inventors: Michael CURCIC
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-09-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart einen Magnetfeldsensor zur Erfassung eines Magnetfeldes, mit einem Plattenstapel, welcher mindestens eine magnetostriktive Platte aufweist, welche ein magnetostriktives Material aufweist, und mindestens eine piezoelektrische Platte aufweist, welche ein piezoelektrisches Material aufweist und unter oder über der mindestens einen magnetostriktiven Platte angeordnet ist, und mit einer ersten Spule, welche derart um den Plattenstapel angeordnet ist, dass die Längsachse der Spule der Längsachse der magnetostriktiven Platten und der piezoelektrischen Platten entspricht. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetfeldsensor zur Erfassung eines Magnetfeldes und auf ein entsprechendes Verfahren.
Stand der Technik
Heute werden in einer Vielzahl moderner elektronischer Anwendungen zur Erfassung von Magnetfeldern Sensoren eingesetzt. Beispielsweise werden Magnetfeldsensoren zur Erfassung von Positionen oder Winkeln in Fahrzeugen eingesetzt. Ein solcher Sensor kann zum Beispiel der Lenkwinkelsensor eines Fahrzeugs, der Pedalwegsensor eines Fahrzeugs oder ein Nockenwellensensor in dem Motor eines Fahrzeugs sein. Ferner werden Magnetfeldsensoren auch zur berührungslosen Strommessung z.B. in Batterien verwendet.
Es existieren heute unterschiedliche Magnetfeldsensoren, die für die oben genannten Anwendungen eingesetzt werden können. Beispielsweise können Fluxgate-Magnetometer oder Hall-Sonden zur Magnetfeldmessung verwendet werden.
Das Fluxgate-Magnetometer ist allerdings aufgrund seiner baulichen Größe nicht für alle Anwendungen geeignet. Ferner erreicht die Hall-Sonde nur eine geringe Auflösung.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart einen Magnetfeldsensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Magnetfeldsensor zur Erfassung eines Magnetfeldes mit einem Plattenstapel, welcher mindestens eine magnetostriktive Platte aufweist, welche ein magnetostriktives Material aufweist, und mindestens eine piezoelektrische Platte aufweist, welche ein piezoelektrisches Material aufweist und unter oder über der mindestens einen magnetostriktiven Platte angeordnet ist, und mit einer ersten Spule, welche derart um den Plattenstapel angeordnet ist, dass die Längsachse der Spule der Längsachse der magnetostriktiven Platten und piezoelektrischen Platten entspricht.
Ferner ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum Messen eines Magnetfeldes, mit den Schritten Bereitstellen eines Magnetfeldsensors gemäß der vorliegenden Erfindung, Anregen einer Spule des Magnetfeldsensors mit einem elektrischen Signal, welches eine vorgegebene Frequenz, insbesondere eine Resonanzfrequenz eines Plattenstapels des Magnetfeldsensors aufweist, und Erfassen und Ausgeben einer elektrischen Spannung und/oder einer Impedanz mindestens einer piezoelektrischen Platte des Plattenstapels.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass die herkömmlichen Sensoren zur Erfassung von Magnetfeldern die Anforderungen moderner Anwendungen an Magnetfeldsensoren nur sehr schwer erfüllen können.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Möglichkeit vorzusehen, Magnetfelder mit Hilfe des piezoelektrischen Effekts und des magnetostriktiven Effekts sehr genau zu messen.
Dazu sieht die vorliegende Erfindung einen Magnetfeldsensor vor, welcher einen Stapel aus mindestens einer magnetostriktiven Platte und einer piezoelektrischen Platte aufweist. Ferner sieht das Sensorelement eine Spule vor, welche den Plattenstapel umgibt und bei Anregung der Spule diesen in eine Schwingung versetzen kann.
Wird die Spule angeregt, erzeugt die Spule ein Magnetfeld, welches die magnetostriktive Platte dazu veranlasst, sich auszudehnen oder sich zusammenzuziehen.
Wird die magnetostriktive Platte angeregt, sich zusammenzuziehen oder sich auszudehnen, wird diese Bewegung auf die piezoelektrische Platte übertragen, an welcher als Resultat der Bewegung bzw. Größenänderung der piezoelektrischen Platte eine Spannungsänderung gemessen werden kann.
Der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor bietet eine sehr hohe Sensitivität in einem Bereich bis zu zehn Nanotesla für statische Magnetfelder. Gleichzeitig bietet das erfindungsgemäße Messelement einen sehr hohen Messbereich von ±30 Millitesla. Ferner weist das vorliegende Sensorelement keine Störempfindlichkeit und ein sehr geringes Rauschen auf. Schließlich kann das erfindungsgemäße Sensorelement auch für eine Magnetfeldmessung in allen drei Raumachsen eingesetzt werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform weist der Magnetfeldsensor einen Signalgenerator auf, welcher dazu ausgebildet ist ein Signal mit einer vorgegebenen Frequenz, insbesondere mit der mechanischen Resonanzfrequenz des Plattenstapels, auszugeben und der ersten Spule bereitzustellen. Wird der Plattenstapel mit seiner Resonanzfrequenz angeregt, beeinflusst ein äußeres Magnetfeld diese Resonanzfrequenz und kann somit sehr leicht erfasst werden.
In einer Ausführungsform weist der Magnetfeldsensor eine Messvorrichtung auf, welche mit der mindestens einen piezoelektrischen Platte elektrisch kontaktiert ist und dazu ausgebildet ist, eine elektrische Spannung und/oder eine Impedanz der mindestens einen piezoelektrischen Platte zu erfassen, wobei die Messvorrichtung mit der mindestens einen piezoelektrischen Platte insbesondere in Polarisationsrichtung der mindestens einen piezoelektrischen Platte elektrisch kontaktiert ist. Das Messen der Spannung oder der Impedanz in der mindestens einen piezoelektrischen Platte ermöglicht es auf sehr einfache Art und Weise die von der magnetostriktiven Platte auf die piezoelektrische Platte übertragene Bewegung und damit die Größenänderung der piezoelektrischen Platte zu erfassen. Dadurch werden eine sehr einfache Erfassung der Schwingung und auch eine sehr einfache Erfassung der Veränderung der Schwingungsfrequenz in dem Plattenstapel möglich.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Plattenstapel mindestens einen Substapel auf, welcher zwei magnetostriktive Platten und eine piezoelektrische Platte aufweist, wobei die erste magnetostriktive Platte über der piezoelektrischen Platte und die zweite der magnetostriktiven Platten unter der piezoelektrischen Platte angeordnet ist. Wird der Substapel, wie beschrieben, symmetrisch aus drei Platten aufgebaut, wird die piezoelektrische Platte von beiden Seiten angeregt und erzeugt ein sehr leicht messbares Signal.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Stapel eine Vielzahl von übereinander angeordneten Substapeln auf, wobei die piezoelektrischen Platten der Substapel elektrisch in Serie gekoppelt sind und die Messvorrichtung elektrisch mit der ersten piezoelektrischen Platte des ersten Substapels mit der zweiten piezoelektrischen Platte des letzten Substapels gekoppelt ist, wobei die erste Spule um die Vielzahl von Substapeln angeordnet ist, oder wobei jeweils eine Spule um jeden Substapel angeordnet ist. Werden mehrere Substapel in dem Stapel angeordnet, reduziert sich mit jedem weiteren Substapel das Signalrauschverhältnis des Ausgangssignals des Magnetfeldsensors. Folglich kann mit einer Erhöhung der Anzahl der Substapel die Qualität der Magnetfeldmessung verbessert werden.
In einer Ausführungsform weist der Magnetfeldsensor eine Recheneinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, aus der elektrische Spannung und/oder eine Impedanz die Stärke des zu messenden Magnetfeldes zu berechnen. Dies ermöglicht eine einfache Auswertung und Erfassung des zu erfassenden Magnetfeldes.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die piezoelektrischen Platten Blei-Zirkonat-Titanat, PZT, auf.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die piezoelektrischen Platten Blei-Magnesium-Niobat-Bleititanat, PMN-PT, auf.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die magnetostriktiven Platten Terfenol-D auf.
Werden die genannten Materialien für die piezoelektrischen Platten und die magnetostriktiven Platten verwendet, kann ein Sensor mit einer sehr hohen Sensitivität bereitgestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform sieht das Verfahren den Schritt des Berechnens der Stärke des zu messenden Magnetfeldes mittels der ausgegebenen elektrischen Spannung und/oder Impedanz basierend auf einem linearen Verhältnis zwischen dem zu messenden Magnetfeld und der ausgegebenen elektrischen Spannung und/oder Impedanz vor. Wird die Stärke des zu messenden Magnetfeldes basierend auf einem linearen Verhältnis zwischen dem zu messenden Magnetfeld in der ausgegebenen elektrischen Spannung und/oder Impedanz berechnet, kann die Stärke des zu messenden Magnetfeldes auf sehr einfache Art ermittelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform sieht das Verfahren das Bestimmen des linearen Verhältnisses in einem magnetischen Nullfeld vor. Wird das lineare Verhältnis vor dem Einsatz des Sensors in einem magnetischen Nullfeld bestimmt, kann dieses zum Beispiel in dem Speicher einer Auswerteeinheit abgelegt werden und so die Messstärke des zu messenden Magnetfeldes sehr einfach berechnet werden.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors;
2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors;
4 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors;
5 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors;
6 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors 1.
Der Magnetfeldsensor 1 in 1 zeigt einen Plattenstapel 3, der eine magnetostriktive Platte 4-1 aufweist, unter welcher eine piezoelektrische Platte 5-1 angeordnet ist. Ferner sind die zwei Platten 4-1, 5-1, welche in dem Plattenstapel 3 angeordnet sind, von einer Spule 6 umschlossen. In 1 ist ferner ein Magnetfeld H_DC 2 dargestellt, welches den Plattenstapel 3 in dessen Längsachse durchdringt.
In dem in 1 dargestellten Magnetfeldsensor 1 kann die magnetostriktive Platte 4-1 beispielsweise aus Terfenol-D ausgebildet sein. Die magnetostriktive Platte kann in weiteren Ausführungsformen aus beliebigen magnetostriktiven Materialien ausgebildet sein.
Die piezoelektrische Platte 5-1 kann in dem Magnetfeldsensor 1 der 1 beispielsweise aus Blei-Zirkonat-Titanat, PZT, oder Blei-Magnesium-Niobat-Blei-Titanat, PMN-PT, ausgebildet sein. In weiteren Ausführungsformen kann die piezoelektrische Platte 5-1 aus beliebigen anderen piezoelektrischen Materialien ausgebildet sein.
Die Spule 6 des in 1 dargestellten Magnetfeldsensors 1 kann, wie in 3 genauer beschrieben, angeregt werden, so dass die Spule 6 ein wechselndes Magnetfeld H_AC in dem Plattenstapel 3 erzeugt. Durch dieses Wechselmagnetfeld H_AC wird die magnetostriktive Platte 4-1 in eine mechanische Schwingung versetzt. Diese mechanische Schwingung erzeugt eine Dickenänderung des magnetostriktiven Materials der magnetostriktiven Platte 4-1. Diese Dickenänderung der magnetostriktiven Platte 4-1 überträgt sich auf die piezoelektrische Platte 5-1. Dadurch wird deren Größe bzw. Dicke ebenfalls geändert. Die Änderung der Dicke der piezoelektrischen Platte 5-1 führt dazu, dass an der piezoelektrischen Platte 5-1 eine elektrische Spannung messbar wird. Diese elektrische Spannung kennzeichnet dabei der Stärke des durch die Spule 6 erzeugten Magnetfeldes H_AC, wenn kein weiteres, äußeres Magnetfeld 2 anliegt. Liegt aber ein äußeres Magnetfeld 2 an, verändert sich die Resonanzfrequenz des Plattenstapels 3. Dadurch verändert sich auch die Größenänderung der magnetostriktiven Platte 4-1, wodurch sich ebenfalls die Größenänderung der piezoelektrischen Platte 5-1 verändert. Dadurch verändert sich wiederum die an der piezoelektrischen Platte 5-1 zu messende Spannung. Die Spannungsänderung an der piezoelektrischen Platte 5-1 ist dabei linear zu dem zu messenden äußeren Magnetfeld 2.
Es kann daher auf sehr einfache Art und Weise mit dem in 1 dargestellten Magnetfeldsensor 1 die Stärke eines zu messenden Magnetfeldes 2 bestimmt werden. Vorteilhafterweise wird das lineare Verhältnis zwischen dem zu messenden externen Magnetfeld 2 und der an der piezokeramischen Platte 5-1 zu messenden Spannung vor dem Einsatz des Magnetfeldsensors 1 bestimmt. Dies kann zum Beispiel in einem Labor oder einer Produktionsstätte des Magnetfeldsensors 1 geschehen. Bevorzugterweise wird diese Vermessung des linearen Verhältnisses zwischen dem äußeren zu messenden Magnetfeld 2 und der an der piezoelektrischen Platte 5-1 zu messenden Spannung in einem magnetischen Nullfeld durchgeführt.
Die Stärke des Magnetfeldes 2 kann aus der Spannungsschwankung z.B. nach folgender Formel berechnet werden: Delta U = alpha·delta H Wobei
U die elektrische Spannung,
H die Magnetfeldstärke und
Alpha der magnetoelektrische Spannungskoeffizient ist-
2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in einem ersten Schritt S1 das Bereitstellen eines Magnetfeldsensors 1 gemäß der vorliegenden Erfindung vor.
In einem zweiten Schritt S2 sieht das Verfahren das Anregen einer Spule 6 des Magnetfeldsensors 1 mit einem elektrischen Signal 10 vor, welches eine vorgegebene Frequenz aufweist. Dabei weist das elektrische Signal 10 insbesondere eine Resonanzfrequenz des Plattenstapels 3 des Magnetfeldsensors 1 auf.
In einem dritten Schritt S3 sieht das Verfahren das Erfassen und Ausgeben einer elektrischen Spannung und/oder einer Impedanz mindestens einer piezoelektrischen Platte 5-1 bis 5-n des Plattenstapels 3 vor.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die Stärke des zu messenden Magnetfeldes 2 mittels der an der piezoelektrischen Platte 5-1 bis 5-n des Stapels 3 erfassten elektrischen Spannung und/oder Impedanz berechnet werden. Dazu kann ein lineares Verhältnis zwischen dem zu messenden Magnetfeld 2 und der erfassten elektrischen Spannung und/oder Impedanz genutzt werden.
In einer Ausführungsform wird dieses lineare Verhältnis in einem magnetischen Nullfeld bestimmt, bevor der Magnetfeldsensor 1 eingesetzt wird.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Magnetfeldsensors 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Magnetfeldsensor 1 der 3 weist im Unterschied zu dem Magnetfeldsensor 1 der 1 einen Plattenstapel 3 mit drei Platten 4-1, 4-2 und 5-1 auf. Dabei weist der Plattenstapel 3 zwei magnetostriktive Platten 4-1, 4-2 auf, zwischen denen eine piezoelektrische Platte 5-1 angeordnet ist. Der Plattenstapel 3 ist ebenfalls von einer Spule 6 umwickelt, welche mit einem Signalgenerator 7 gekoppelt ist. In 3 sind ferner zwei Magnetfelder H_DC 2 und H_AC eingezeichnet. Das erste Magnetfeld 2 ist das zu erfassende Magnetfeld 2, welches den Plattenstapel 3 in Längsrichtung durchdringt. Über dem Plattenstapel 3 eingezeichnet ist das durch die Spule erzeugte Magnetfeld H_AC, welches den Plattenstapel 3 ebenfalls durchdringt. Das zu erfassende Magnetfeld 2 ist dabei ein statisches Magnetfeld 2, während das durch die Spule erzeugte Magnetfeld H_AC ein wechselndes Magnetfeld ist.
Der Signalgenerator 7 der 3 ist dazu ausgebildet, der Spule 6 das elektrische Signal 10 bereitzustellen, welches eine vorgegebene Signalfrequenz aufweist und dazu geeignet ist, in der Spule das Magnetfeld H_AC aufzubauen. In einer Ausführungsform weist das elektrische Signal 10 insbesondere die Resonanzfrequenz des Plattenstapels 3 auf.
In dem in 3 dargestellten Magnetfeldsensor 1 regt das elektrische Signal 10, welches der Signalgenerator 8 bereitstellt, in der Spule 6 ein Magnetfeld H_AC an, welches dazu führt, dass sich die Größe bzw. die Dicke der magnetostriktiven Platten 4-1 und 4-2 ändert. Diese Größenänderung der magnetostriktiven Platten 4-1, 4-2 überträgt sich auf die piezoelektrische Platte 5-1, die zwischen den magnetostriktiven Platten 4-1, 4-2 angeordnet ist.
Wie oben bereits beschrieben, kann eine Spannung, welche durch die Größenänderung der piezoelektrischen Platte 5-1 in der piezoelektrischen Platte 5-1 erzeugt wird, an dieser gemessen werden. Wird der Plattenstapel 3 mit seiner Resonanzfrequenz angeregt, wird in der piezoelektrischen Platte 5-1 die größte Dickenänderung hervorgerufen. Dadurch wird bei der Anregung mit der Resonanzfrequenz ein Signal bzw. eine elektrische Spannung an der piezoelektrischen Platte 5-1 gemessen, welche eine maximale Amplitude hat. Wird nun ein äußeres bzw. ein zu messendes Magnetfeld 2 angelegt, welches den Plattenstapel 3 durchdringt, ändert sich dessen Resonanzfrequenz. Da nun der Plattenstapel 3 nicht mehr mit seiner Resonanzfrequenz angeregt wird, wird die Dickenänderung der magnetostriktiven Schichten 4-1 und 4-2 und damit auch der piezoelektrischen Platte 5-1 geringer ausfallen. Diese Änderung in der Wechselspannungsamplitude, welche an der piezoelektrischen Platte 5-1 gemessen werden kann, ist linear zu der Stärke des zu messenden Magnetfeldes 2 und kann in einer Ausführungsform zum Beispiel mit Hilfe eines Log-in-Verstärkers bestimmt werden.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Magnetfeldsensors 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Magnetfeldsensor 1 in 4 basiert auf dem Magnetfeldsensor 1 der 3. In 4 sind der Signalgenerator 7 sowie die Spule 6 nicht explizit dargestellt. Dies dient dazu, die Darstellung zu vereinfachen.
In 4 ist ferner eine Messvorrichtung 8 dargestellt, die mit der piezoelektrischen Platte 5-1 des Plattenstapels 3 gekoppelt ist. In den einzelnen Platten 4-1, 4-2 und 5-1 des Plattenstapels 3 sind jeweils Pfeile dargestellt, die die Polarisationsrichtung der jeweiligen Platte 4-1, 4-2 und 5-1 angeben. In 4 ist zu sehen, dass alle drei Platten 4-1, 4-2 und 5-1 in Längsrichtung polarisiert sind. Dies entspricht einer Longitudinal-Longitudinal-Konfiguration. Die Messvorrichtung 8 ist mit der piezoelektrischen Platte 5-1 an deren zwei Enden in Längsrichtung, also in Polarisationsrichtung, gekoppelt.
Eine Dickenänderung der piezoelektrischen Platte 5-1 erzeugt in dieser eine Spannung in Polarisationsrichtung. Durch die Kopplung der Messvorrichtung 8 mit der piezoelektrischen Schicht 5-1 an deren zwei Enden in Längsrichtung wird es somit möglich, die entstehende Spannung zu erfassen.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Magnetfeldsensors 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Magnetfeldsensor 1 in 5 ähnelt dem Magnetfeldsensor 1 der 4.
Allerdings ist bei dem Magnetfeldsensor 1 der 5 die piezoelektrische Platte 5-1 nicht in Longitudinalrichtung, sondern in Transversalrichtung polarisiert. Dies ist in 5 durch einen Pfeil in der piezoelektrischen Platte 5-1 dargestellt, welcher von unten nach oben zeigt.
Da eine Dickenänderung der piezoelektrischen Platte 5-1 in der in 5 gezeigten Konfiguration eine Spannung zwischen dem oberen und dem unteren Ende der piezoelektrischen Platte 5-1 erzeugt, ist es auch notwendig, diese Spannung an deren oberen und unteren Ende abzugreifen. Aus diesem Grund ist in 5 die Messvorrichtung 8 nicht mit den Enden der piezoelektrischen Platte 5-1 in Längsrichtung gekoppelt. Vielmehr ist die Messvorrichtung 8 in 5 mit der oberen und der unteren Fläche der piezoelektrischen Platte 5-1 gekoppelt. Dadurch wird es möglich, auch bei einer transversalen Polarisation der piezoelektrischen Platte 5-1 die in der piezoelektrischen Platte 5-1 entstehende Spannung zu messen.
Ob die Longitudinal-Longitudinal-Konfiguration der 4 oder die Longitudinal- Transversal-Konfiguration der 5 für den Magnetfeldsensor 1 gewählt wird, hängt von der jeweiligen Anwendung ab.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Magnetfeldsensors 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Magnetfeldsensor 1 der 6 weist einen Plattenstapel 3 mit zwei Substapeln 9-1, 9n auf, welche jeweils aus zwei magnetostriktiven Platten 4-1, 4-2, 4-(n-1) und 4-n und aus einer piezoelektrischen Platte 5-1 und 5-n bestehen. In 6 sind die zwei Substapel 9-1, 9-n übereinander angeordnet und weisen einen Abstand zwischeneinander auf. Zwischen den zwei Substapeln 9-1, 9-n sind die Leitungen der Spule 6, die auf der Vorderseite der Plattenstapel 3 verlaufen, gestrichelt dargestellt und die Leitungen der Spule 6, die auf der Rückseite der Plattenstapel 3 verlaufen, sind gepunktet dargestellt.
Die gepunktete Darstellung bedeutet, dass in einer Ausführungsform des Magnetfeldsensors 1 eine beliebige Anzahl von Substapeln 9-1, 9-n zwischen dem ersten und dem letzten Plattenstapel 3 angeordnet werden kann. In 6 ist deutlich zu sehen, dass die Spule alle Plattenstapel umschließt und somit auch ein Magnetfeld H_AC in allen Substapeln 9-1, 9-n erzeugt. Die Messvorrichtung 8 ist mit der Oberseite der letzten piezoelektrischen Platte 5-n und mit der Unterseite der ersten piezoelektrischen Platte 5-1 gekoppelt, wobei die piezoelektrischen Platten 5-1 bis 5-n untereinander in Serie gekoppelt sind.
In einer weiteren Ausführungsform können auch mehr als eine Spule 6 vorgesehen sein, die jeweils einen oder mehrere Substapel 9-1, 9-n umschließen.
In einer Ausführungsform ist eine Recheneinrichtung 15 vorgesehen, welche die von der Messvorrichtung 8 erfasste Spannung in den Plattenstapeln 3 auswertet.
In der Recheneinrichtung 15 kann beispielsweise das lineare Verhältnis zwischen dem zu erfassenden Magnetfeld 2 und der Spannungsänderung in der piezoelektrischen Platte 5-1 bzw. den piezoelektrischen Platten 5-1 bis 5-n hinterlegt sein. In einer weiteren Ausführungsform kann der Recheneinrichtung 15 beispielsweise ein Log-in-Verstärker vorgestaltet sein bzw. als Bestandteil der Messvorrichtung 8 ausgebildet sein, welcher die Spannungsamplitude der an den piezoelektrischen Platten 5-1 bis 5-n gemessenen Wechselspannung ausgibt.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Magnetfeldsensor (1) zur Erfassung eines Magnetfeldes (2), mit einem Plattenstapel (3), welcher mindestens eine magnetostriktive Platte (4-1–4-n) aufweist, welche ein magnetostriktives Material aufweist, und mindestens eine piezoelektrische Platte (5-1–5-n) aufweist, welche ein piezoelektrisches Material aufweist und unter oder über der mindestens einen magnetostriktiven Platte (4-1–4-n) angeordnet ist; und mit einer ersten Spule (6), welche derart um den Plattenstapel (3) angeordnet ist, dass die Längsachse der Spule der Längsachse der magnetostriktiven Platten (4-1–4-n) und der piezoelektrischen Platten (5-1–5-n) entspricht.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, mit einem Signalgenerator (7), welcher dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Signal (10) mit einer vorgegebenen Frequenz, insbesondere mit der mechanischen Resonanzfrequenz des Plattenstapels (3), auszugeben und der ersten Spule (6) bereitzustellen.
Magnetfeldsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer Messvorrichtung (8), welche mit der mindestens einen piezoelektrischen Platte (5-1–5-n) elektrisch kontaktiert ist und dazu ausgebildet ist, eine elektrische Spannung und/oder eine Impedanz in der mindestens einen piezoelektrischen Platte (5-1–5-n) zu erfassen, wobei die Messvorrichtung (8) mit der mindestens einen piezoelektrischen Platte (5-1–5-n) insbesondere in Polarisationsrichtung der mindestens einen piezoelektrischen Platte (5-1–5-n) elektrisch kontaktiert ist.
Magnetfeldsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, mit mindestens einem Substapel (9-1–9-n), der in dem Plattenstapel (3) angeordnet ist und der zwei magnetostriktive Platten (4-1–4-n) und eine piezoelektrischen Platte (5-1–5-n) aufweist, wobei die erste der magnetostriktiven Platten (4-1–4-n) über der piezoelektrischen Platte (5-1–5-n) und die zweite der magnetostriktiven Platten (4-1–4-n) unter der piezoelektrischen Platte (5-1–5-n) angeordnet ist.
Magnetfeldsensor nach Ansprüchen 3 und 4, mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten Substapeln (9-1–9-n), wobei die piezoelektrischen Platten (5-1–5-n) der Substapel (9-1–9-n) elektrisch in Serie gekoppelt sind und die Messvorrichtung (8) elektrisch mit der ersten piezoelektrischen Platte (5-1) des ersten Substapels (9-1) und mit der zweiten piezoelektrischen Platte (5-1–5-n) des letzten Substapels (9-n) gekoppelt ist; wobei die erste Spule (6) um die Vielzahl von Substapeln (9-1–9-n) angeordnet ist; oder wobei jeweils eine Spule (6) um jeden Substapel (9-1–9-n) angeordnet ist.
Magnetfeldsensor nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 5, mit einer Recheneinrichtung (15), welche dazu ausgebildet ist, aus der erfassten elektrischen Spannung und/oder Impedanz die Stärke des zu messenden Magnetfeldes (2) zu berechnen.
Magnetfeldsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die piezoelektrischen Platten (5-1–5-n) Blei-Zirkonat-Titanat, PZT, und/oder Bleimagnesiumniobat-Bleititanat, PMN-PT, aufweisen; und/oder wobei die magnetostriktiven Platten (4-1–4-n) TERFENOL-D aufweisen.
Verfahren zum Messen eines Magnetfeldes, mit den Schritten: Bereitstellen (S1) eines Magnetfeldsensors (1) nach einem der vorherigen Ansprüche; Anregen (S2) einer Spule (6) des Magnetfeldsensors (1) mit einem elektrischen Signal (10), welches eine vorgegebene Frequenz, insbesondere eine Resonanzfrequenz eines Plattenstapels (3) des Magnetfeldsensors (1) aufweist; Erfassen und Ausgeben (S3) einer elektrischen Spannung und/oder einer Impedanz mindestens einer piezoelektrischen Platte (5-1–5-n) des Plattenstapels (3).
Verfahren nach Anspruch 8, mit dem Schritt: Berechnen der Stärke des zu messenden Magnetfeldes (2) mittels der ausgegebenen elektrischen Spannung und/oder Impedanz basierend auf einem linearen Verhältnis zwischen dem zu messenden Magnetfeld (2) und der ausgegebenen elektrischen Spannung und/oder Impedanz.
Verfahren nach Anspruch 9, mit dem Schritt: Bestimmen des linearen Verhältnisses in einem magnetischen Nullfeld.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 8 bis 10, mit dem Schritt: Bereitstellen mindestens eines Substapels (9-1–9-n) in dem Plattenstapel (3), wobei jeder Substapel (9-1–9-n) zwei magnetostriktive Platten (4-1–4-n) und eine piezoelektrischen Platte (5-1–5-n) aufweist, wobei die erste der magnetostriktiven Platten (4-1–4-n) über der piezoelektrischen Platte (5-1–5-n) und die zweite der magnetostriktiven Platten (4-1–4-n) unter der piezoelektrischen Platte (5-1–5-n) angeordnet ist.