DE19504229A1 - Positions-Sensoreinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Positions-Sensoreinrichtung mit einem in einer Längsrichtung bewegbaren, einen Per­ manentmagneten aufweisenden Element und mit wenigstens einem an der Bewegungsbahn ortsfest angeordneten magnet­ feldempfindlichen Sensor.

Magnetfeldempfindliche Sensoren sind in verschiedenen Aus­ führungen bekannt, insbesondere als Hall-Elemente oder als magnetoresistive Elemente (Feldplatten). In der Zeitschrift "electronic industrie", Heft 5/85 und 6/85, "Magnetfeldempfindliche Halbleiter-Positionssensoren" sind solche Sensoren und ihre Anwendungen beschrieben. Um das Erreichen einer Position eines sich bewegenden Elements bestimmen zu können, wird dieses mit einem Permanent­ magneten versehen, und an der zu detektierenden Stelle wird ein solcher Sensor seitlich an der Bewegungsbahn an­ gebracht. Die verschiedenen magnetfeldempfindlichen Sen­ soren weisen nun jeweils unterschiedliche Vorteile und Nachteile auf. Wird beispielsweise ein Hall-Element ver­ wendet, so kann dieses zwar die bei den unterschiedlichen Feldrichtungen des Magnetfelds unterscheiden, jedoch wird dabei jeweils nur diejenige Feldkomponente erfaßt, die senkrecht zur Fläche des Hall-Elements verläuft. Wird dagegen ein magnetoresistives Element bzw. eine Feldplatte eingesetzt, so wird die Feldkomponente parallel zur Fläche dieses Elements erfaßt. Ein solches Element kann jedoch die beiden entgegengesetzten Feldrichtungen nicht unterscheiden. Diese Elemente sind sehr empfindlich, jedoch treten systembedingt neben einem Hauptsignal noch Nebensignale auf, die zu unerwünschten Mehrfach- Positionssignalen führen können. Obwohl daher prinzipiell eine große Sensorempfindlichkeit angestrebt wird, kann diese zur Vermeidung dieser Mehrfach-Signale nicht genutzt werden.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die opti­ male Empfindlichkeit dieser Sensoren zu nutzen und dabei gleichzeitig die Gefahr von Mehrfach-Signalen abzuwenden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei erste, auf die Feldkomponente senkrecht zur Bewe­ gungsrichtung des Permanentmagneten ansprechende und in dieser Bewegungsrichtung hintereinander angeordnete Sen­ soren vorgesehen sind, zwischen denen ein auf die Feld­ komponente parallel zur Bewegungsrichtung der Permanent­ magneten ansprechender dritter Sensor angeordnet ist, wo­ bei die Ansprechsignale der beiden ersten Sensoren ein Meßfenster zur Ausblendung von neben dem Hauptsignal auf­ tretenden Nebensignalen des dritten Sensors bilden.

Durch das Ausblenden der störenden Anteile in der Magnet­ verteilung durch die beiden ersten Sensoren kann eine solche Positions-Sensoreinrichtung einerseits beliebig dicht an der Bahn des Permanentmagneten sitzen, und andererseits kann der maximale Abstand durch Erhöhung der Empfindlichkeit des dritten Sensors vergrößert werden. Die Länge bzw. Größe des den aktiven Bereich bildenden Meßfensters kann im wesentlichen durch den geometrischen Abstand der beiden ersten Sensoren eingestellt werden. Man erreicht dadurch eine sehr empfindliche und präzise Sensoreinrichtung, bei der die Gefahr von Mehrfach- Signalen dennoch ausgeschlossen ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Positions-Sensoreinrichtung mög­ lich.

Der Permanentmagnet ist zweckmäßigerweise in der Bewe­ gungsrichtung (axial) magnetisiert, so daß der auf die Feldkomponente parallel zur Bewegungsrichtung des Perma­ nentmagneten ansprechende dritte Sensor ein gutes Meß­ signal erhält.

Für die beiden ersten Sensoren eignen sich vor allem kostengünstige Hall-Sensoren, die vorzugsweise als uni­ axiale, bistabile Hall-Sensoren ausgebildet sind. Diese können flach eingebaut werden, um die Feldkomponente senkrecht zur Bewegung des Permanentmagneten detektieren zu können. Hierdurch wird automatisch das Meßfenster da­ durch gebildet, daß unterschiedliche Sensorsignale dieser beiden ersten Sensoren vorliegen. Derartige Sensoren können platzsparend neben der Bewegungsbahn des Permanent­ magneten angeordnet werden. Außerdem können diese Sensoren zusätzlich zur Erkennung der Bewegungsrichtung des Per­ manentmagneten und zur Erkennung der Position desselben verwendet werden, also zur Erkennung, ob sich der Perma­ nentmagnet links oder rechts neben dem Meßfenster oder im Meßfenster befindet. Dies wird durch die Eigenschaft der Hall-Sensoren ermöglicht, die Richtung der jeweiligen Feldkomponente zu erfassen.

Zur Bildung des Meßfensters können einfache elektronische Mittel vorgesehen werden, die bei ungleichem Schaltzustand der beiden Hall-Sensoren ein das Meßfenster definierendes Signal erzeugen.

Der dritte Sensor ist in vorteilhafter Weise als magneto­ resistiver Sensor mit hoher Empfindlichkeit ausgebildet.

In konstruktiv günstiger Weise können die Sensoren als flache Plättchen in einer Ebene nebeneinander angeordnet werden, vorzugsweise auf einer Trägerplatte zusammen mit der Auswerteschaltung, so daß ein einziges Bauelement von geringer Größe die vollständige Positions-Sensoreinrich­ tung bilden kann. Hierzu ist die Trägerplatte insbesondere als Si-Träger ausgebildet, wobei die Sensoren und die Auswerteschaltung eine durch einen Batch-Prozeß gebildete Struktur aufweisen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der Permanent­ magnet an oder in einem Kolben einer Kolben-Zylinder- Einheit und die Sensoren an oder in der Zylinder­ wandung angeordnet. Durch die flache Anordnung der Sen­ soren eignet sich die Sensoreinrichtung hierfür besonders gut, und die Kolbenposition kann sehr präzise erfaßt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Positions- Sensoreinrichtung,

Fig. 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungs­ weise und

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Auswerteschaltung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf einem als Si-Plättchen ausgebildeten Träger 10 durch einen Batch-Prozeß die Komponenten der Positions-Sensor­ einrichtung aufgebracht. Es handelt sich dabei um erste und zweite Sensoren 11, 12, die als uniaxiale, bistabile Hall-Elemente ausgebildet sind, und zwischen denen ein als magnetoresistives Element bzw. Feldplatte ausgebildeter dritter Sensor 13 angeordnet ist. Weiterhin ist eine Aus­ werteschaltung 14 auf dem Träger 10 angeordnet, wie sie in Zusammenhang mit Fig. 3 noch näher erläutert wird.

Die somit insgesamt als flaches Plättchen ausgebildete Sensoreinrichtung wird neben der Bewegungsbahn 15 eines Permanentmagneten 16 so angeordnet, daß die drei Sensoren 11-13 in der Bewegungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Der Permanentmagnet ist dabei in der Bewegungsrich­ tung (axial) magnetisiert.

Beim Passieren der Sensoreinrichtung sprechen der erste und zweite Sensor 11, 12 auf die radiale Feldkomponente des Magnetfelds des Permanentmagneten 16 an, also auf die senkrecht zur Bewegungsbahn 15 des Permanentmagneten 16 gerichtete Feldkomponente. Dagegen spricht der dritte Sensor 13 auf die axiale Feldkomponente dieses Feldes an, also auf die Komponente parallel zur Bewegungsbahn 15 des Permanentmagneten 16. Der Verlauf der radialen Feldkompo­ nente, auf den die Sensoren 11 und 12 ansprechen, ist in Fig. 2 jeweils als S11 und S12 dargestellt, während die für den Sensor 13 maßgebliche axiale Feldkomponente mit S13 bezeichnet ist. Gemäß Fig. 3 wird das Sensorsignal des Sensors 13 einer Signalformerstufe 17 zugeführt, die bei­ spielsweise ein Schmitt-Trigger sein kann. Das Ausgangs­ signal dieser Signalformerstufe 17 ist in Fig. 2 mit U17 bezeichnet. An der Signalfolge U17 sind neben dem mittle­ ren Hauptsignal die seitlichen unerwünschten Nebensignale erkennbar.

Die Ausgangssignale der Sensoren 11 und 12 sind mit U11 und U12 bezeichnet. Diese beiden Signale werden gemäß Fig. 3 einem Äquivalenz-Gatter 18 zugeführt, das ein Low-Signal am Ausgang nur dann erzeugt, wenn die Eingangssignale unterschiedlich sind. Dieses Ausgangssignal U18 des Äqui­ valenz-Gatters 18 gibt ein Meßfenster vor. In Fig. 2 ist der Fall dargestellt, bei dem sich der Permanentmagnet 16 von links nach rechts bewegt.

Die Signale U17 und U18 werden gemäß Fig. 3 einem Nor- Gatter 19 zugeführt, durch das die Nebensignale der Signal­ folge U17 ausgeblendet werden, so daß nur noch das er­ wünschte Hauptsignal als Positionsmeßsignal verbleibt.

Mit der dargestellten und beschriebenen Positions-Sensor­ einrichtung läßt sich auch der Aufenthaltsort des Perma­ nentmagneten 16 links oder rechts vom Sensor 13 fest­ stellen. Weisen die Sensoren 11 und 12 beide ein Low- Signal auf, so befindet sich der Permanentmagnet 16 links von der Sensoreinrichtung, und bei Vorliegen von zwei High-Signalen ist die Position rechts vom Sensor 13. Auch die Bewegungsrichtung des Permanentmagneten 16 läßt sich durch die beiden Sensoren 11 und 12 bestimmen.

Bei Erfordernis, also beispielsweise bei anderer Aus­ führung der Hall-Sensoren 11 und 12, kann diesen ebenfalls eine Signalformerstufe bzw. ein Schmitt-Trigger nachge­ schaltet sein.

Zur Positionsbestimmung eines Kolbens in einer Kolben- Zylinder-Anordnung kann der Permanentmagnet 16 beispiels­ weise in Form eines Ring-Magneten im Kolben integriert sein, während die sehr flache Sensoreinrichtung gemäß Fig. 1 an der Zylinderaußenwand angeordnet oder in der Zylin­ derwand eingelassen sein kann. Auf diese Weise kann durch Verwendung mehrerer Sensoreinrichtungen gemäß Fig. 1 eine entsprechende Zahl von Kolbenpositionen exakt be­ stimmt werden, beispielsweise Positionen in oder kurz vor den Endpositionen.

Claims (10)

1. Positions-Sensoreinrichtung mit einem in einer Längsrichtung bewegbaren, einen Permanentmagneten auf­ weisenden Element und mit wenigstens einem an der Bewegungsbahn ortsfest angeordneten magnetfeld­ empfindlichen Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß zwei erste, auf die Feldkomponente senkrecht zur Bewe­ gungsrichtung des Permanentmagneten (16) ansprechende und in dieser Bewegungsrichtung hintereinander angeordnete Sensoren (11, 12) vorgesehen sind, zwischen denen ein auf die Feldkomponente parallel zur Bewegungsrichtung der Permanentmagneten (16) ansprechender dritter Sensor (13) angeordnet ist, wobei die Ansprechsignale der beiden ersten Sensoren (11, 12) ein Meßfenster zur Ausblendung von neben dem Hauptsignal auftretenden Nebensignalen des dritten Sensors (13) bilden.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Permanentmagnet (16) in der Bewegungs­ richtung (axial) magnetisiert ist.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Sensoren (11, 12) Hall-Sensoren sind.

4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hall-Sensoren (11, 12) als uniaxiale, bistabile Hall-Sensoren ausgebildet sind.

5. Sensoreinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß elektronische Mittel (18) zur Bildung des Meßfensters vorgesehen sind, die bei ungleichem Schaltzustand der beiden Hall-Sensoren (11, 12) ein das Meßfenster definierendes Signal (U18) erzeugen.

6. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Sensor (13) als magnetoresistiver Sensor ausgebildet ist.

7. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (11- 13) als flache Plättchen in einer Ebene nebeneinander an­ geordnet sind.

8. Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensoren (11-13) auf einer Träger­ platte (10) zusammen mit einer Auswerteschaltung (14) angeordnet sind.

9. Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trägerplatte (10) als Si-Träger ausge­ bildet ist, wobei die Sensoren (11-13) und die Auswerte­ schaltung (14) eine durch einen Batch-Prozeß gebildete Struktur aufweisen.

10. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (16) an oder in einem Kolben einer Kolben-Zylinder-Einheit und die Sensoren (11-13) an oder in der Zylinderwandung angeordnet sind.