Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft einen Wegsensor mit mindestens einem magnetoelektrischen
Wandlerelement zur Erfassung der Bewegung eines Bauelements nach dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs.
The invention relates to a displacement sensor with at least one magnetoelectric
Transducer element for detecting the movement of a component according to the generic term
of the main claim.
Es ist bereits aus der DE 43 17 259 A1 eine Sensoranordnung für einen Drehwinkel
bekannt, bei der ein Magnetflussgenerator zur Erzeugung eines messbaren Magnetflusses in
einer elektrischen Steuereinrichtung angeordnet ist. Es sind hier magnetoelektrische
Wandlerelemente vorhanden, mit denen eine Änderung des Magnetflusses, hervorgerufen
durch die Drehbewegung eines magnetisch leitenden Körpers, erfassbar sind. Bei den
bekannten magnetoelektrischen Wandlerelementen wird ein Messeffekt ausgenutzt, der
dann entsteht, wenn die magnetische Flussdichte im Wandlerelemente in Abhängigkeit
vom Winkel oder Weg verändert wird. Dies geschieht in der Regel dadurch, dass sich im
Magnetkreis bestehend aus Flussleitstücken und Permanentmagnet, magnetisch leitende
Flussleitstücke und der Permanentmagnet zueinander verdreht werden und sich somit die
Flussdichte am Wandlerelement ändert. Diese Prinzipien führen dazu, dass sich
unerwünschte Nebeneffekte z. B. aus den Lagerspielen der bewegten Teile ergeben, die
ebenfalls durch eine Änderung der Luftspaltbreite die Felder im Wandlerelement und damit
das Messergebnis verändern. Ferner sind die Baulängen der Wegsensoren oft erheblich
größer als der zu messende Weg, was einen Einbau bei vielen Anwendungen erschwert.
Aus der DE 197 53 775 A1 ist bekannt, dass bei einer solchen Messvorrichtung mit
einem Hallelement als Wegsensor Flussleitstücke aus magnetisch leitendem Material zur
Lenkung der Magnetflusslinien verwendet werden. Ferner beschreibt die EP 0 670 471 A1
eine Anordnung, bei der sich keinerlei Teile, die den Magnetkreis bilden, relativ
zueinander bewegen. Hier wird somit der gesamte Magnetkreis über den
magnetoelektrischen Wandler hinweggedreht. Der Messeffekt wird durch die Formgebung der Magnete
erreicht, die eine definierte Luftspaltveränderung über den Drehwinkel aufweisen.
DE 43 17 259 A1 already describes a sensor arrangement for an angle of rotation
known in which a magnetic flux generator for generating a measurable magnetic flux in
an electrical control device is arranged. They are magnetoelectric here
There are transducer elements with which a change in the magnetic flux is caused
can be detected by the rotational movement of a magnetically conductive body. Both
Known magnetoelectric transducer elements, a measurement effect is used that
then arises when the magnetic flux density in the transducer elements is dependent
is changed by the angle or path. This usually happens because the
Magnetic circuit consisting of flux guide pieces and permanent magnet, magnetically conductive
Flux guides and the permanent magnet are rotated to each other and thus the
Flux density on the converter element changes. These principles mean that
undesirable side effects such. B. result from the bearing play of the moving parts
also by changing the air gap width, the fields in the transducer element and thus
change the measurement result. Furthermore, the overall lengths of the displacement sensors are often considerable
larger than the path to be measured, which makes installation difficult in many applications.
From DE 197 53 775 A1 it is known that with such a measuring device
a Hall element as a displacement sensor flux guide made of magnetically conductive material
Steering of the magnetic flux lines can be used. EP 0 670 471 A1 also describes
an arrangement in which no parts forming the magnetic circuit are relative
move towards each other. Here, the entire magnetic circuit is over the
magnetoelectric converter turned away. The measuring effect is due to the shape of the magnets
reached, which have a defined air gap change over the angle of rotation.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Bei einer Weiterbildung eines Wegsensors zur Erfassung einer Bewegung nach der
gattungsgemäßen Art mit einem magnetoelektrischem Wandlerelement und einem
Magnetkreis wird gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Flussleitstücke
und das Wandlerelement, vorzugsweise ein Hallelement, sich während der Wegmessung
zueinander in einer unveränderten Lage befinden, wobei diese Teile und der mindestens
eine Magnet relativ zueinander bewegbar sind. Eine Veränderung des vom
Wandlerelement auswertbaren Magnetfeldes wird in vorteilhafter Weise durch eine Veränderung des
Luftspaltes im Magnetkreis während der Bewegung des Magneten bewirkt. Ein
besonderer Vorteil der Erfindung ist hier die geringe Baulänge des Wegsensors, der damit auch
an baulich kritischen Stellen an einem Aggregat oder bei sonstigen Anwendungen
eingebaut werden kann. Gegenüber Verschiebungen des bewegten Magneten quer zur
Bewegungsrichtung ist der erfindungsgemäße Wegsensor unempfindlich, da eine
Vergräßerung einer Seite des Luftspaltes durch eine Verkleinerung der anderen Seite des
Luftspaltes kompensiert wird. Eine Unempfindlichkeit in der anderen Richtung quer zur
Erstreckung der Flussleitstücke kann auf einfache Weise durch eine entsprechende
Dimensionierung der Komponentenhöhe erreicht werden, wobei die Flussleitstücke dann
immer höher sind als der Magnet. In vorteilhafter Weise haben die Flussleitstücke des
Magnetkreises eine solche die Bahn des Magneten einschließende Kontur, dass sich
aufgrund der Änderung der Breite des Luftspaltes im Bahnverlauf ein vorgebbarer
Signalverlauf im Wandlerelement ergibt. Das somit variable Magnetfeld wird hier weitgehend
durch die Breite des Luftspaltes als Arbeitsspalt bestimmt und erlaubt auf einfache Weise
eine variable Kennliniensteigung bis hin zu Winkeln oder Wegmessbereichen ohne
Signalveränderungen, ein sogenanntes Plateau, oder zu gekrümmten Kennlinien.
Vorzugsweise ist die Kontur der Flussleitstücke so geformt, dass sich eine lineare Messkurve im
Bahnverlauf ergibt. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Wegsensor ein
Linearwegsensor und der Bahnverlauf der relativen Bewegung des Magnetkreises und des
Wandlerelements ist eine Gerade. Hierbei ist die Baugröße nur geringfügig größer als der
Messweg. Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist der Sensor ein
Winkelsensor und der Bahnverlauf der relativen Bewegung des Magnetkreises und des
Wandlerelements ist ein Kreis oder ein Kreisabschnitt. Vorteilhaft ist es außerdem, wenn die
Flussleitstücke im Bereich des Wandlerelements zur Bewirkung einer Flusskonzentration
jeweils einen zum Wandlerelement hinführenden Vorsprung als Polschuh aufweisen.
In a further development of a displacement sensor for detecting a movement after the
Generic type with a magnetoelectric transducer element and
Magnetic circuit is advantageously achieved according to the invention that the flux guide pieces
and the transducer element, preferably a Hall element, during the distance measurement
to each other in an unchanged position, these parts and the at least
a magnet can be moved relative to one another. A change of the
Transducer element evaluable magnetic field is advantageously by changing the
Air gap in the magnetic circuit during the movement of the magnet causes. On
A particular advantage of the invention here is the small overall length of the displacement sensor, which also
at structurally critical points on an assembly or in other applications
can be installed. Compared to displacements of the moving magnet across
The displacement sensor according to the invention is insensitive to the direction of movement, since a
Enlargement of one side of the air gap by reducing the other side of the air gap
Air gap is compensated. An insensitivity in the other direction across
Extension of the river guide pieces can be done in a simple manner by a corresponding
Dimensioning of the component height can be achieved, with the flux guide pieces then
are always higher than the magnet. In an advantageous manner, the flow guide pieces of the
Magnetic circuit such a contour that includes the path of the magnet that
due to the change in the width of the air gap in the course of the path a predeterminable
Signal curve in the converter element results. The magnetic field thus variable becomes largely here
determined by the width of the air gap as a working gap and allowed in a simple manner
a variable slope up to angles or measuring ranges without
Signal changes, a so-called plateau, or to curved characteristic curves.
The contour of the flow guide pieces is preferably shaped such that a linear measurement curve is formed in the
Path course results. In an advantageous embodiment, the displacement sensor is on
Linear displacement sensor and the path of the relative movement of the magnetic circuit and
Transducer element is a straight line. The size is only slightly larger than that
Measuring length. According to another advantageous embodiment, the sensor is on
Angle sensor and the path of the relative movement of the magnetic circuit and the
Transducer element is a circle or a segment of a circle. It is also advantageous if the
Flow guide pieces in the area of the transducer element for effecting a flow concentration
each have a projection leading to the transducer element as a pole piece.
Durch die damit vergrößerte Luftspaltbreite besteht die Möglichkeit größere Magnete bei
geringerem Streufluss zu verwenden und damit mit mehr magnetischem Fluss zu
arbeiten, wodurch die elektrische Signalverarbeitung erleichtert wird. Als Anwendungsgebiet
des erfindungsgemäßen Wegsensors kommen unter anderen sogenannte Pedalweggeber
für elektrohydraulische Bremsen in Kraftfahrzeugen in Betracht.
The enlarged air gap width makes it possible to use larger magnets
to use less leakage flux and thus with more magnetic flux
work, making electrical signal processing easier. As an area of application
of the displacement sensor according to the invention come under so-called pedal displacement sensors
for electro-hydraulic brakes in motor vehicles.
Zeichnungdrawing
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Wegsensor für eine Linearwegmessung mit einer geeigneten Kontur der
Flussleitstücke für einen linearen Signalverlauf, Fig. 2 einen Wegsensor für eine
Linearwegmessung mit jeweils einem dem Wandlerelement gegenüberliegenden Polschuhen
an den Flussleitstücken, Fig. 3 einen Wegsensor für eine radiale Wegmessung mit einer
geeigneten Kontur der Flussleitstücke für einen linearen Signalverlauf, Fig. 4 einen
Wegsensor bei dem die Flussleitstücke konstante Dicke aufweisen, und Fig. 5 ein
Ausführungsbeispiel mit besonders geformten Polschuhen.
Embodiments of the invention are explained with reference to the drawing. In the drawings: Figure 1 is a displacement sensor for a linear displacement with an appropriate contour of the flux conductors is a linear waveform, Figure 2 is a displacement sensor for a linear displacement with one side opposite to the transducer element pole pieces to the flux conductors, Figure 3 shows a position sensor for radial displacement measurement... with a suitable contour of the flux guide pieces for a linear signal curve, FIG. 4 a displacement sensor in which the flux guide pieces have a constant thickness, and FIG. 5 an embodiment with specially shaped pole pieces.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In Fig. 1 ist ein Linearwegsensor 1a dargestellt, der einem Magnetkreis bestehend aus
einem Permanentmagneten 2 und zwei Flussleitstücke 3 und 4, beispielsweise aus Eisen,
sowie ein zwischen den Enden der Flussleitstücke 3 und 4 im Messluftspalt g
festsitzendes Hallelement 5 als elektromagnetischer Wandler aufweist. Der Magnet 2 ist auf einem
Bahnverlauf 6 der Messtrecke x bewegbar, wobei durch eine geeignete Gestaltung der
Kontur der Flussleitstücke 3 und 4 im Verlauf der Wegmessstrecke x ein Luftspalt mit
einer veränderlichen Spaltbreite d erzeugt werden kann. Aufgrund der Änderung der Breite
d im Bahnverlauf 6 ist ein durch die Kontur der Flussleitstücke 3 und 4 vorgebbarer
Signalverlauf im Hallelement 5 sensierbar. In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines
Linearwegsensors 1b gezeigt, bei dem im Bahnverlauf entlang der Wegmesstrecke x eine
größere Breite d des Luftspalts durch Polschuhe 7 und 8 erzeugt werden kann. Die
Polschuhe 7 und 8 sind durch Vorsprünge an den Enden von Flussleitstücken 9 und 10 dem
Hallelement 5 gegenüberliegend gebildet und wirken hier als Flusskonzentratoren. Bei
diesem Ausführungsbeispiel kann somit ein längerer (d. h. in Richtung des Luftspalts)
Magnet 11 angewendet werden, so dass sich hiermit eine größere Flussdichte bei
geringerem Streufluss erzeugen lässt. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 beschreibt der
Bahnverlauf 12 der Relativbewegung entlang der Messstrecke a abschnittsweise eine
Kreisbahn, so dass sich hier ein Radialweg- oder Winkelsensor 1c ergibt. Der
Magnetkreis ist mit einem Magneten 13 und entsprechenden Flussleitstücken 14 und 15
ausgestattet, deren Formgebung aber nach den anhand der Fig. 1 erläuterten Prinzipien
gestaltet sind. Das Messsignal ist ebenfalls mit einem fest zwischen den Enden der
Flussleitstücke 14 und 15 angeordneten Hallelement 5 detektierbar.
In Fig. 1, a linear path sensor 1 a is shown, which has a magnetic circuit consisting of a permanent magnet 2 and two flux guide pieces 3 and 4 , for example made of iron, and a Hall element 5 stuck between the ends of the flux guide pieces 3 and 4 in the measuring air gap g as an electromagnetic transducer , The magnet 2 can be moved on a path 6 of the measuring section x, an air gap with a variable gap width d being able to be produced by suitably designing the contour of the flux guide pieces 3 and 4 in the course of the distance measuring section x. Due to the change in the width d in the course 6 , a signal course which can be predetermined by the contour of the flow guide pieces 3 and 4 can be sensed in the Hall element 5 . FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a linear travel sensor 1 b, in which a larger width d of the air gap can be generated by pole shoes 7 and 8 in the course of the path along the travel measurement distance x. The pole shoes 7 and 8 are formed by projections at the ends of flux guide pieces 9 and 10 opposite the Hall element 5 and act here as flux concentrators. In this exemplary embodiment, a longer magnet 11 (ie in the direction of the air gap) can thus be used, so that it can be used to generate a larger flux density with less leakage flux. In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the path course 12 of the relative movement along the measuring section a describes a circular path in sections, so that here a radial path or angle sensor 1 c results. The magnetic circuit is equipped with a magnet 13 and corresponding flux guide pieces 14 and 15 , the shape of which, however, is designed according to the principles explained with reference to FIG. 1. The measurement signal can also be detected with a Hall element 5 arranged fixedly between the ends of the flow guide pieces 14 and 15 .
Bei Bewegung des Magneten 2, 5, 11, 30 entlang dem Weg x ändert sich somit der
magnetische Fluss im Messluftspalt g aufgrund der Änderung sowohl des Arbeitsluftspaltes d,
als auch der Materialdicke der Flussleitstücke.
When the magnet 2 , 5 , 11 , 30 moves along the path x, the magnetic flux in the measuring air gap g thus changes due to the change in both the working air gap d and the material thickness of the flux guide pieces.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird die Flussänderung im Messluftspalt g bei
Bewegung des Magneten entlang x allein durch die kontinuierliche Krümmung der
Flussleitstücke mit konstanter Dicke erreicht. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4
weisen die Flussleitstücke 20, 21 über die gesamte Länge hin die gleiche Dicke auf. Dies
gilt auch im sog. Öffnungsbereich 22 des Wegsensors. In den bisherigen
Ausführungsbeispielen, insbesondere nach Fig. 1 und 2 sind die Außenwände der Flussleitstücke 3, 4
bzw. 9, 10 über die gesamte Länge parallel verlaufend. Durch Verringerung der Baudicke
dieser Flussleitstücke wurde dort im Inneren insbesondere im Öffnungsbereich ein
kontinuierlich sich verändernder Abstand d in Richtung x erzeugt. In der Ausführung nach
Fig. 4 sind nun die Flussstücke 20, 21 voneinander weggebogen, d. h. ihre einander
zugewandten Innenseiten 20a und 21a weisen eine gekrümmte Form auf, so dass sich im sog.
Öffnungsbereich 22 ein maximaler Abstand d der Flussstücke 20, 21 ergibt. Die
beschriebene variable Gestaltung der Kennlinie durch angepasste Krümmung der
Flussleitstücke ist möglich. Unterschiedliche Steigungen, Plateaus, sprunghafte Übergänge für
Schaltvorgänge können in einfacher Weise erzielt werden. Z. B. wird eine lineare
Kennlinie erreicht, indem durch die Krümmung der Flussleitstücke die nicht lineare
Abhängigkeit der magnetischen Flussdichte von der Spaltbreite d kompensiert wird. Die
Verwendung von Polschuhen zur Flussleitkonzentration in Messluftspalt g und für den Einsatz
größerer Magnete ist weiterhin möglich. Denkbar wäre auch, die in der Fig. 4
dargestellte, gekrümmte, kontinuierlich verlaufende Form vor den Polschuhen 25, 26 in einen
parallelen Bereich übergehen zu lassen. Dieser parallele Bereich sollte dann zumindest
die Länge des Magneten 30 aufweisen, um hierdurch eine Endposition signalisieren zu
können. Zwischen den beiden Polschuhen 25, 26 befindet sich das Hallelement 5. Es ist
aber auch eine Ausbildung ohne Polschuhe denkbar, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die
Polschuhe 25, 26 haben die Aufgabe einer Konzentration des Magnetflusses zum
Hallelement hin. Die Polschuhe 25, 26 können hierbei die gleiche Dicke wie die FlussIeitteile
20, 21 aufweisen. In der Fig. 4 ist mit der Bezifferung 33 der Verlauf des Magnetflusses
des Magneten 30 eingezeichnet. Die Polarität des Magneten entspricht der in der
vorgegebenen Darstellung. Wird der Magnet 30 in Richtung x bewegt, so verändert sich der
Abstand d zwischen den Flussleitteilen 20, 21. Diese Abstandsänderung sorgt für eine
Magnetfeldänderung im Hallelement, die proportional zur Verschiebung x ist. Die
Abbildung nach Fig. 4 hat insbesondere die Vorteile, dass solche Flussleitstücke durch
einfache Herstellungsprozesse, z. B. Stanzen und Biegen, fertigbar sind. Es können dadurch
Flussleitteile großer Höhe ohne zerspannende Prozesse hergestellt werden. Dies führt zu
einem materialsparenden Design. Ein weiterer Vorteil besteht bei der Ausführung des
Messluftspaltes g darin, dass dort Formen gestaltbar sind, die es erlauben, Hallelemente
in verschiedensten Gehäuseformen, insbesondere wie sie in der Großserienfertigung für
Leiterplatten üblich sind, einzusetzen. Ein Beispiel hierfür zeigt die Fig. 5. Hier sind die
Enden der Flussleitstücke 20, 21 teilweise aufgestanzt und die verbleibenden Bereiche
31, 32 sind hufeisenförmig gebogen. Zwischen den Stirnseiten der Bereiche 31, 32
befindet sich der Messluftspalt g und das Hallelement 5. Die Enden der Flussleitstücke können
beliebig geformt sein, so dass die magnetische Flussdichte in beliebiger Richtung zum
Messweg x orientiert sein kann. Dies resultiert sowohl in einer Konzentration der
magnetischen Flussdichte im Messluftspalt g als auch in einer größeren Freiheit bei der
Integration des Sensors in andere Module, z. B. in die Betätigungseinheit bei der
elektrohydraulischen Bremse.
In the exemplary embodiment according to FIG. 4, the flux change in the measuring air gap g is achieved when the magnet moves along x solely through the continuous curvature of the flux guide pieces with a constant thickness. In the exemplary embodiment according to FIG. 4, the flux guide pieces 20 , 21 have the same thickness over the entire length. This also applies in the so-called opening area 22 of the displacement sensor. In the previous exemplary embodiments, in particular according to FIGS. 1 and 2, the outer walls of the flow guide pieces 3 , 4 and 9 , 10 are parallel over the entire length. By reducing the thickness of these flow guide pieces, a continuously changing distance d in the direction x was generated inside, in particular in the opening area. In the embodiment of FIG. 4 are now the flux pieces 20, 21 bent away from each other, that their facing inner sides 20 a and 21 a have a curved shape so that in the so-called. Opening portion 22 a maximum distance d of the flux pieces 20, 21 results. The variable design of the characteristic curve described by adapting the curvature of the flow guide pieces is possible. Different slopes, plateaus, abrupt transitions for switching operations can be achieved in a simple manner. For example, a linear characteristic curve is achieved in that the non-linear dependence of the magnetic flux density on the gap width d is compensated for by the curvature of the flux guide pieces. The use of pole pieces for flux conduction concentration in the measuring air gap g and for the use of larger magnets is still possible. It would also be conceivable to have the curved, continuously running shape shown in FIG. 4 pass into a parallel area in front of the pole shoes 25 , 26 . This parallel area should then have at least the length of the magnet 30 in order to be able to signal an end position. The Hall element 5 is located between the two pole pieces 25 , 26 . However, training without pole shoes is also conceivable, as shown in FIG. 1. The pole shoes 25 , 26 have the task of concentrating the magnetic flux towards the Hall element. The pole shoes 25 , 26 can have the same thickness as the flux guide parts 20 , 21 . In FIG. 4, the course of the magnetic flux of the magnet 30 is shown with the numbering 33rd The polarity of the magnet corresponds to that in the given illustration. If the magnet 30 is moved in the direction x, the distance d between the flux guiding parts 20 , 21 changes . This change in distance causes a magnetic field change in the Hall element that is proportional to the displacement x. The illustration according to FIG. 4 has the particular advantages that such flow guide pieces can be produced by simple manufacturing processes, e.g. B. stamping and bending, can be manufactured. As a result, high-level flow control parts can be manufactured without cutting processes. This leads to a material-saving design. A further advantage in the design of the measuring air gap g is that shapes can be designed there which allow Hall elements to be used in a wide variety of housing shapes, in particular as is customary in large-scale production for printed circuit boards. An example of this is shown in FIG. 5. Here the ends of the flow guide pieces 20 , 21 are partially stamped out and the remaining areas 31 , 32 are bent in a horseshoe shape. The measuring air gap g and the Hall element 5 are located between the end faces of the regions 31 , 32 . The ends of the flux guide pieces can have any shape so that the magnetic flux density can be oriented in any direction to the measurement path x. This results both in a concentration of the magnetic flux density in the measuring air gap g and in a greater freedom when integrating the sensor into other modules, e.g. B. in the actuation unit in the electrohydraulic brake.