DE4238861C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines axial beweglichen Körpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Po­ sition eines axial beweglichen Körpers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung (DE 40 20 369 A1) wird eine ferromagnetische Schicht auf einen Körper aufgebracht, dessen Position bestimmt werden soll. Dabei wird auf diese ferromagnetische Schicht zusätzlich eine Schicht aus einem elektrisch gut leitenden aber nicht ferromagnetischen Material aufgebracht, um das Problem auftretender Wirbelströme in den Griff zu bekommen. Die auf den Körper aufgebrachte ferromagnetische Schicht beeinflußt dabei bei einer Bewegung die Induktivität einer Spule. Durch Auswertung dieser Indukti­ vität wird dann die Position des Körpers ermittelt.

Als nachteilig könnte dabei angesehen werden, daß eine zweite Schicht aufzubringen ist, um das Problem der Wirbelströme in den Griff zu bekommen, weil für das Aufbringen ein Arbeitsgang mehr aufzuwenden ist. Außerdem können Probleme beim fertigen Produkt wegen beispielsweise auftretender mechanischer Span­ nungen infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoef­ fizienten der beiden Schichten auftreten. Weiterhin müssen die Dicken der Schicht sowie die Frequenz des durch die Spule fließenden Wechselstromes aufeinander abgestimmt sein, so daß sich Einschränkungen bei der Flexibilität des Einsatzes der Vorrichtung ergeben.

Die DE 37 12 054 A1 offenbart die Möglichkeit, für die Bestimmung der Position eines axial beweglichen Körpers diesen Körper aus einem weichmagnetischen Werkstoff herzustellen, diesen Körper dann in eine Spulenanordnung einzubringen und sodann über die Änderung der Induktivität die Position zu bestimmen.

Soll nun die Position eines axial beweglichen Körpers bestimmt werden, der aus Gründen z. B. der benötigten mechanischen Härte des Werkstoffes (z. B. Keramik) nicht aus einem weichmagnetischen Werkstoff hergestellt werden kann, so ist der in der DE 37 12 054 A1 beschriebene Gegenstand nicht verwendbar.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist des weiteren eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt (DE 37 03 867 A1), bei welcher in eine Nut des aus einem antimagnetischen Werkstoff bestehenden Ventilschaftes eines Hubventiles - dessen Hubbewegung meßtechnisch erfaßt werden soll - eine magnetisch leitende Hülse eingepaßt ist, deren magnetische Eigenschaften die Induktivität der in einer Ventilführung angeordneten Spule beeinflussen.

Weiterhin ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Permanentmagnet in dem Innenraum einer Spule bewegt wird. Aus der induzierten Spannung läßt sich dann die Geschwindigkeit des Permanentmagneten ermitteln. Durch Integration dieser Geschwindigkeit ist es somit grundsätzlich möglich, die Position des Permanentmagneten zu erhalten. Eine derartige Anordnung wird dabei als Tauchspulenanordnung bezeichnet.

Als nachteilig könnte dabei angesehen werden, daß bei der Integration Fehler auftreten können. Auch ist eine derartige Anordnung nur bedingt nutzbar, da sie auf die Verwendung von Permanentmagneten beschränkt ist.

Unabhängig von den vorstehend genannten Vorrichtungen sind generell amorphe Legierungen bekannt, bspw. mit der Legierungsformel T_a·X_b·Z_c·M_d nach der US-PS 4.668.310 oder der Legierungsformel Ni_w·Co_x·Fe_y·P_z in dem Aufsatz "Magnetostriction in some armorphous Fe-Co-Ni-P alloys" von A.W. Simpson u.W.G. Clements in: IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag.-11, No. 5, Sept. 1975, wobei die Gew.-% der in den Legierungen enthaltenen Elemente mit sehr weiten Bereichsangaben angegeben bzw. die zu enthaltenden Elemente aus einer großen Anzahl von angegebenen Elementen auszuwählen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines axial beweglichen Körpers derart auszubilden, daß diese Vorrichtung eine möglichst große Ansprechempfindlichkeit und möglichst vielfältige Verwendungsmöglichkeiten bei fertigungstechnisch einfachem Herstellen und Aufbringen der magnetischen Schicht aufweist und darüber hinaus gleichzeitig möglichst unabhängig von Umgebungsbedingungen arbeitet.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines axial beweglichen Körpers erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen kennzeichnen.

Bei dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird auf den axial beweglichen Körper an einem Teil des Außenumfanges ring­ förmig eine weichmagnetische Schicht aufgebracht. Diese weich­ magnetische Schicht steht in Wechselwirkung mit einer Spulen­ anordnung, die aus mindestens einer Spule besteht. Mit der Än­ derung der Lage der weichmagnetischen Schicht aufgrund einer axialen Bewegung des beweglichen Körpers ändert sich die In­ duktivität der Spulen bzw. der Spule. Diese Induktivität ist somit ein unmittelbares Maß für die Position des axial beweg­ lichen Körpers.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines axial beweglichen Körpers,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines axial beweglichen Körpers und

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines axial beweglichen Körpers.

Fig. 1 ist eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zu entneh­ men, die eine Schicht mit bestimmten Eigenschaften aufweist.

Eine geeignete Zusammensetzung einer Schicht mit den geforderten Eigenschaften besteht darin, einen Schichtaufbau mit 3 bis 5 Gew.-% Phosphor, bis zu 2 Gew.-% Antimon und bis zu 5 Gew.-% Cobalt vorzunehmen, wobei die sich aus der Summe ergebenden Gewichtsprozente mit Nickel zu 100% aufgefüllt werden. Dabei ist es auch möglich, anstelle von Co als anderes Übergangsmetall Eisen zu verwenden. Ebenso kann anstelle von Sb auch das Element Blei Verwendung finden.

Das Übergangsmetall bewirkt dabei eine Anhebung der Kristallisationstemperatur der Schicht von ca. 600°K auf < 700°K. Ebenso wird durch das Übergangsmetall die Curie- Temperatur auf einen Wert von < 700°K angehoben.

Das Element Antimon (oder Blei) bewirkt durch den hohen Anteil an Atombindungen eine beträchtliche Erhöhung des spezifischen elektrischen Widerstandes, so daß eine besonders effiziente Dämpfung der Wirbelströme gegeben ist.

Der Phosphorgehalt der Schicht bedingt die Amorphizität und die magnetische Isotropie und somit die weichmagnetischen Eigenschaften der Schicht, wobei ein P-Anteil von mehr als 3 Gew.-% zu einer Abnahme des Ferromagnetismus und somit zu einer Abnahme der Magnetostriktion führt.

Zunächst muß die Oberfläche des Körpers, auf den die Schicht aufzubringen ist, elektrische leitend gemacht werden, damit sich die Ionen durch Reduktion ablagern können. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß diese Oberfläche zunächst durch Bedampfen beschichtet wird. Anschließend wird dieser Körper in ein aus den Elementen entsprechend obiger Aufzählung unter Beachtung der jeweiligen Gew.-% bestehendes Bad getaucht. Dabei kann dann bei einer Temperatur von ca. 370°K die Schicht durch chemische Reduktion auf die Oberfläche des Körpers auf­ gebracht werden.

Damit die Schicht vor externen magnetischen Feldern wirkungsvoll geschützt werden kann, sind auf dem Körper noch zwei weichmagnetische nichtmagnetostriktive Schichtringe nach einem der genannten Verfahren zusätzlich aufgebracht. Die nachfolgend beschriebenen Bauteile 114, 115, 116 zusammen mit den beiden Schichtringen 119 bilden sodann die magnetische Ab­ schirmung. Zum mechanischen und chemischen Schutz der Meß­ schicht wird dann wiederum eine Schicht mit einem höheren P- Gehalt (< 8 Gew.-% P) aufgebracht. Die Meßschicht kann dabei eine Zusammensetzung A_1-xB_x aufweisen. Dabei kann A eine Menge aus vorzugsweise zwei ferromagnetischen übergangsmetallen M1 und M2 sein, wobei M1 Ni und M2 Co sein kann, und B kann eine Menge aus Metalloiden m1 und m2 sein, wobei m1 P und m2 Sb sein kann. Ein mögliches Mengenverhältnis kann dabei aus (M1_1,07, M2_0,06)_0,8(m1_0,451, m2_0,05)_0,2 bestehen. Dabei kann die Magnetostriktionskonstante grundsätzlich durch die Zusammenset­ zung der Schicht variiert werden.

Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel eines axial beweglichen Körpers einen Ventilschaft 101, an dem eine Beschichtung 102 aufgebracht ist. Diese Schicht 102 hat dabei einen Aufbau, der in den vorhergehenden Absätzen beschrieben wurde und bildet mit den Bauteilen 105, 106, 107 und 108 den magnetischen Rückfluß betreffend die aus den beiden Spulen 109 und 110 bestehende Spulenanordnung. Die Bauteile 105, 106, 107 und 108 bestehen dabei aus einem weichmagnetischen Material, das außerdem eine geringe Magnetostriktion aufweist wie z. B. Permenorm. Durch eine axiale Bewegung des Ventilschaftes 101 wird dabei der ma­ gnetische Fluß in den Spulen 109 und 110 geändert. Damit ändert sich dann auch die Induktivität der Spulen 109 und 110. Diese Änderung der Impedanz kann dann mit einer an sich bekannten Auswertungseinrichtung ausgewertet werden. In dem Ausführungs­ beispiel der Fig. 1 sind die beiden Spulen 109 und 110 in einer Halbbrückenschaltung verschaltet. Aus der Änderung der Impedanz der Spule kann dann auf die Position des Ventilschaftes 101 geschlossen werden. In vorteilhafter Weise können durch weitere Bauteile Störeinflüsse ausgeschaltet werden. Beispielsweise können die Bauteile 105, 106, 107 und 108 von Bauteilen 111, 112 und 113 umgeben sein, die Distanzstücke aus einem elek­ trisch isolierenden und nicht magnetischen Material darstellen, beispielsweise aus einem geeigneten Kunststoff. Diese Bauteile können dann wiederum von den Bauteilen 114, 115 und 116 umgeben sein, die zwecks einer Abschirmung störender äußerer Magnet­ felder aus einem hochweichmagnetischen Material mit einem großen spezifischen elektrischen Widerstand bestehen. Die An­ ordnung nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird dabei durch ein Abschlußstück 117 gehalten. Da die Schicht auf dem Ventilschaft etwas aufträgt (Größenordnung ca. 30 µm), ist eine Ringnut 118 vorgesehen, in der die Schicht dann berührungsfrei beweglich ist.

Fig. 2 zeigt einen Ventilschaft 201, bei dem im Unterschied zu dem Ventilschaft 101 des Ausführungsbeispieles der Fig. 1 in dem Ventilschaft 201 ein Einschliff vorhanden ist, so daß die Schicht 202 oberflächenbündig mit dem Ventilschaft 201 ab­ schließt. Bei der Gesamtanordnung kann dann die Ringnut 118 des Ausführungsbeispieles der Fig. 1 entfallen.

Fig. 3 zeigt einen Ventilschaft, bei dem der oberflächenbündige Abschluß realisiert ist, indem an die Schicht 302 oben und un­ ten anschließend jeweils Schichten 303 und 304, vorzugsweise Nickel-Phosphor-Schichten angebracht sind, die nichtmagnetostriktiv, nicht weichmagnetisch und nichtmagnetisch sind.

Grundsätzlich sind dabei derartige Messungen nicht auf den in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Ventilschaft be­ schränkt. Die Vorrichtung kann vielmehr auch auf anderen Bau­ teilen angebracht werden, die axial beweglich sind und deren Position bestimmt werden soll.

Ebenso können die in den Ausführungsbeispielen aus mehreren Bauteilen bestehenden Einhüllungen aus einem Material auch aus lediglich einem Bauteil der entsprechenden Form bestehen.

Das Aufbringen der Schicht 102, 202, 302 und der Schichtringe 119 durch atomares Aufwachsen kann erfolgen durch chemische Reduk­ tion an der Oberfläche, durch elektrolytische Abscheidung, durch das PVD (Physical Vapour Deposition) - oder CVD (Chemical Vapour Deposition) - Verfahren oder durch Ionenimplantation, bzw. durch Variationen der genannten Verfahren (Plasma, Laser, Ultraschall und dergleichen).

Des weiteren kann im Sinne einer Optimierung des spezifischen elektrischen Widerstandes und der magnetischen Eigenschaften der Schicht dieselbe noch mit Spuren von Seltenerdmetallen do­ tiert sein.

Ferner können der Schicht noch feine Feststoffpulver zugegeben sein, beispielsweise Oxide, Karbide oder Kunststoffe wie Hostaflon oder dergleichen. Hierdurch wird erreicht, daß die dispersiv in die Schicht eingebauten Feststoffe das Wandern der Blochwände erschweren und damit die Magnetostriktionseigen­ schaften der Schicht erhöhen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines axial beweglichen Körpers, wobei aus der Induktivität einer Spulenanordnung auf die Position des Körpers geschlossen wird, wobei auf den Körper eine Schicht aufgebracht wird, deren magnetische Eigenschaften die Induktivität der Spulenanordnung beeinflussen, wobei eine axiale Bewegung des Körpers, mit dem diese Schicht verbunden ist, den magnetischen Fluß in einer aus wenigstens einer Spule bestehenden Spulenanordnung beeinflußt, daß die daraus resultierende Änderung der Induktivität erfaßt und daraus auf die Position des Körpers geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Körper (101, 201, 301) durch atomares Aufwachsen aufgebrachte Schicht (102, 202, 302) einen Schichtaufbau mit 3 bis 5 Gew.-% Phosphor, bis zu 2 Gew.-% des Elementes Antimon oder Blei und bis zu 5 Gew.-% des Elementes Cobalt oder Eisen aufweist, wobei die sich aus der Summe ergebenden Gewichtsprozente mit Nickel zu 100% aufgefüllt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung aus zwei Spulen (109, 110) besteht, die koaxial zu dem Körper (101) und diesen umgebend angeordnet sind und daß die Spulen (109, 110) an ihrer Oberseite, Unterseite sowie ihrer Außenfläche von Bauteilen (105, 106, 107, 108) aus einem weichmagnetischen Material, das außerdem eine geringe Magnetostriktion aufweist, umgeben sind, daß diese beiden Spulen in einer Halbbrückenschaltung verschaltet sind und daß die Mitte der Schicht (102) in der Ruhelage des Körpers (101) zwi­ schen den beiden Spulen (109, 110) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Spulenanordnung umgebenden Bauteile (105, 106, 107, 108) von Bauteilen (111, 112, 113) umgeben sind aus einem elektrisch isolierenden und nicht magnetischen Material, insbesondere aus einem geeigneten Kunststoff.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile (111, 112, 113) weiterhin von Bauteilen (114, 115, 116) aus einem hochweichmagnetischen Material mit ei­ nem großen spezifischen elektrischen Widerstand umgeben sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (102, 202, 302) oberflächenbündig mit dem Körper (101, 201, 301) abschließt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (102, 202, 302) mit Spuren von Seltenerdmetallen dotiert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schicht (102, 202, 302) feine Feststoffpulver zugegeben sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnete daß sich auf dem Körper (101, 201, 301) in axialem Abstand von der Schicht (102, 202, 302) zusätzlich noch Schichtringe (119) befinden, die einen identischen Aufbau zu der Schicht nach An­ spruch 1 haben können.