DE4407759A1 - Magnetsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetsensor mit einem ein elektrisches Ausgangssignal liefernden magnetfeldempfindlichen Fühlerelement. Im Stand der Technik sind zahlreiche Magnetsensoren dieser Art bekannt und beispielsweise in den US-A 5 140 262, 5 121 289, 5 164 668 und 5 159 268 beschrieben.

Mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung wird ein Magnetsensor geschaffen, der leicht an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpaßbar ist, sich einfach justieren läßt und gleichwohl eine gute Empfindlichkeit zeigt und ein verläßliches elektrisches Ausgangssignal liefert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwei Permanentmagnete längs einer gemeinsamen Achse im Abstand voneinander mit entgegengesetzter Polarität angeordnet. Das magnetfeldempfindliche Fühlerelement befindet sich zwischen den beiden einander gegenüberstehenden, gleichnamigen Polen der beiden Magnete. Es kann gleichachsig zu diesen Polen oder gegenüber deren Achse versetzt angeordnet sein. Sein Abstand von den beiden einander gegenüberstehenden Magnetpolen kann der gleiche oder unterschiedlich sein. Die beiden Permanentmagnete können die gleiche oder unterschiedliche Feldstärke erzeugen.

Ein zu sensierender Körper wird in bezug auf einen außenliegenden Pol des einen oder anderen Magnetstückes bewegt. Er kann in Form einer Längsbewegung seinen Abstand gegenüber diesem Pol ändern oder an dem Pol vorbeibewegt werden und zwar entweder in Form einer Verschiebebewegung oder einer Drehbewegung. Als Beispiel der letztgenannten Anwendungsform kann der Körper beispielsweise durch einen Zahn oder Nocken eines Rades gebildet werden, welche sich um eine senkrecht zur gemeinsamen Achse der beiden Magnete angeordnete Achse dreht. Der Körper kann auch glocken- oder topfförmig ausgestaltet sein, wobei seine umlaufende Wand an dem äußeren Pol des einen Magneten vorbeiläuft und mit einzelnen Stegen und dazwischen liegenden Fenstern versehen ist.

Durch geeignete Wahl des Zwischenraums zwischen den einander gegenüberstehenden gleichnamigen Polen der beiden Magnete und durch Wahl des Abstands des Fühlerelements von dem einen bzw. anderen Pol lassen sich Stärke und Verlauf des elektrischen Ausgangssignals beeinflussen und an die jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten anpassen. Hinzu kommt die Möglichkeit, die Feldstärke der beiden Magnete ungleich zu machen. Darüber hinaus kann man während des Justierens die Feldstärke des einen, des anderen oder beider Magnete ändern, indem man beispielsweise den einen Magneten gegenüber dem gewünschten Endzustand übermagnetisiert und im Zuge der Justierung die Magnetisierung verringert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Zeichnungen wiedergegebener Ausführungsbeispiel erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 einen Magnetsensor gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit einem Zahn- oder Nockenrad als Auslöser des Magnetsensors; und

Fig. 3 den Verlauf des elektrischen Ausgangssignals des magnetempfindlichen Fühlerelements bei unterschiedlichen Betriebszuständen.

In Fig. 1 sind ein erster Permanentmagnet 10 und ein zweiter Permanentmagnet 12, beispielsweise zwei Stabmagnete, längs einer gemeinsamen Achse 16 im Abstand voneinander derart angeordnet, daß sie sich mit gleichnamigen Magnetpolen, im gezeigten Fall mit ihren Nordpolen N gegenüberstehen. Haben beide Magnete die gleiche Feldstärke, so existiert im Zwischenraum zwischen den beiden Nordpolen ein Punkt 20, in dem die von den beiden Magneten ausgehenden Felder praktisch gleich stark sind und folglich die Feldstärke praktisch gleich Null ist. Dieser Punkt 20 liegt in Fig. 1 im Abstand X vor dem Nordpol N des Magneten 10 und im Abstand Y vor dem Nordpol N des Magneten 12. Erzeugen beide Magnete etwa die gleiche Feldstärke, so sind X und Y etwa gleich groß.

Wird ein magnetisierbarer oder magnetischer Körper 24 in Richtung des Pfeiles Z in den Bereich der vom Magneten 10 erzeugten, nicht dargestellten Feldlinien gebracht und durchdringt eine der Feldlinien des Magneten 10 den Körper 24, so verringert sich der magnetische Widerstand im Feld des Magneten 10, weil der Magnetkörper 24 einen wesentlich geringeren magnetischen Widerstand als Luft hat. Da die Feldlinien des zweiten Permanentmagneten 12 nur in Luft verlaufen, wird der dem ersten Magneten 10 ausgesetzte magnetische Widerstand in bezug auf denjenigen des zweiten Magneten 12 verringert. Hierdurch wird praktisch der erste Magnet 10 stärker als der zweite Magnet 12. Diese Änderung des magnetischen Widerstandes im Kreis des ersten Magneten hat eine Verschiebung des Punkts 20 in Richtung auf den zweiten Magneten 12 zur Folge. Mit anderen Worten liegt dann der Punkt, in welchem die Magnetfeldstärke etwa Null ist, dichter am zweiten Magneten 12 und weiter entfernt vom ersten Magneten 10. X wird größer und Y wird kleiner. Befindet sich ein magnetfeldabhängiges Fühlerelement, wie beispielsweise ein Hallgenerator, im Punkt 20 im Zwischenraum zwischen den beiden Permanentmagneten, so ist er einer ihn durchsetzenden magnetischen Feldstärke ausgesetzt, welche von rechts nach links gerichtet ist, sobald der Körper 20 in die Nähe des Südpols S des ersten Magneten 10 bewegt wird.

Man könnte auch den Permanentmagneten 12 stärker ausbilden als den Magneten 10. Dann würde das Fühlerelement im Punkt 20 ein von links nach rechts gerichtetes Feld messen, solange der Körper 24 sich nicht im Bereich des Südpols S des Magneten 10 befindet. Bewegt sich der Körper 24 in Richtung auf den Südpol des Magneten 10, so bewirkt die Erhöhung der effektiven Feldstärke des ersten Magneten 10 eine Verringerung der auf das Fühlerelement einwirkenden Netto-Feldstärke, weil sich der Punkt geringster Feldstärke zwischen den Magneten von rechts nach links bewegt. Wie man sieht, sind zahlreiche Alternativen hinsichtlich der Struktur und der Auswahl der magnetischen Feldstärken möglich. Der Punkt 20, d. h. die Lage des Fühlerelements kann außermittig zwischen den beiden einander gegenüberstehenden Magneten gewählt werden, die Feldstärke der beiden Magneten kann unterschiedlich sein, und schließlich kann man den Abstand zwischen den beiden Magneten und damit auch den Feldstärkenverlauf zwischen ihnen verändern. Das Grundprinzip der Erfindung besteht also darin, daß das Fühlerelement die Feldstärke im Raum zwischen zwei sich gleichpolig gegenüberstehenden Magneten mißt, wenn an einem der außenliegenden Pole ein in dessen Feld eintauchender magnetisierbarer Körper den magnetischen Widerstand für die Feldlinien dieses Magneten verändert. Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß das Fühlerelement selbst im Feld zwischen den beiden Magneten liegt und durch dieses nach außen hin abgeschirmt wird, also keinen äußeren Störfeldern, gleich welcher Richtung, ausgesetzt ist. Darüber hinaus ist die erläuterte Einstellmöglichkeit und Justierbarkeit des Magnetsensors für dessen praktischen Einsatz von erheblichem Nutzen.

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel der Erfindung. Wiederum stehen sich zwei Magnete 10 und 12 mit gleichnamigen Polen gegenüber und sind im Abstand G voneinander längs einer gemeinsamen Achse 16 angeordnet. Der Einfachheit halber sind beide Magnete als Stabmagnete dargestellt. Sie können jedoch auch mit geeignet geformten Polstücken versehen sein, um die Feldlinien der beiden Magnete in geeigneter Weise zu leiten und zu konzentrieren und auf diese Weise einen Punkt im Zwischenraum zu erzeugen, an dem eine vorgegebene magnetische Feldstärke, beispielsweise die Feldstärke Null herrscht.

Das magnetisch empfindliche Fühlerelement 30, beispielsweise ein Halleffektelement wird von einem Substrat 34 getragen, welches in den Zwischenraum G zwischen den beiden Magneten 10 und 12 hineinragt. Das Substrat 34 kann zugleich als Träger für elektronische Komponenten und Schaltkreise dienen, um einerseits das Hallelement 30 mit Strom zu versorgen und andererseits die entstehenden elektrischen Signale zu verstärken und weiterzuleiten. Wie bereits erwähnt, kann das Fühlerelement 30 in der Mitte zwischen den beiden Permanentmagneten oder näher zum einen oder anderen Magneten angeordnet sein. Die jeweilige Lage des Fühlerelementes 30 im Zwischenraum G hängt von Art und Stärke der Permanentmagnete 10 und 12 sowie von dem vom Fühler zu liefernden Signal ab.

In Fig. 2 ist als Auslösekörper für den Magnetsensor ein in Richtung des Pfeiles R um den Punkt 44 drehbares Zahnrad 40 dargestellt. Drei der Zähne 50, 52 und 54 sind wiedergegeben. Zwischen ihnen liegen die Zahnlücken 60 und 62. In der gezeigten Winkelstellung des Zahnrads 40 steht der Zahn 52 dem Südpol S des Magneten 10 gegenüber. Er befindet sich also innerhalb der Magnetflußlinien dieses Magneten, so daß dessen Magnetfeld durch den Zahn 52 verläuft. Dieser Verlauf innerhalb des magnetisch leitfähigen Zahns 52 verringert den gesamten magnetischen Widerstand, welchem das Magnetfeld des Magneten 10 ausgesetzt ist. Diese Verringerung des magnetischen Widerstands in einem Teil des Weges der Feldlinien verringert den magnetischen Gesamtwiderstand. Hierdurch wird die magnetische Feldstärke des Magneten 10 erhöht und der Punkt gleicher Feldstärke innerhalb des Zwischenraums G nach links verschoben. Dies bedeutet eine Änderung der Größe und/oder Richtung des das Hallelement durchsetzenden Magnetfeldes und ändert somit Größe und/oder Vorzeichen des vom Fühlerelement 30 gelieferten elektrischen Ausgangssignals.

Bei einer Drehung des Zahnrads 40 laufen die Zähne 50, 52 und 54 nacheinander am Südpol S des Magneten 10 vorbei. Die verschiedene Winkelpositionen, welche das Zahnrad 40 hierbei einnimmt, sind mit A bis D bezeichnet. Diese Bezeichnungen ermöglichen einen Vergleich der jeweiligen Winkellage mit dem vom Hallelement 30 erzeugten elektrischen Signal.

Im oberen Teil von Fig. 3 stellt die Kurve 80 die Stärke eines Ausgangssignals des magnetfeldempfindlichen Elements 30 dar, wenn die Feldstärke der Magneten und die Anordnung des magnetfeldempfindlichen Elements so ausgewählt sind, daß ein bipolares Signal entsteht. Der Ursprung der Kurvendarstellung im oberen Teil von Fig. 1 stellt die Stärke eines Ausgangssignals dar, wenn der Zahn 50 unmittelbar dem Südpol des Magneten 10 gegenübersteht. Bewegt sich das Zahnrad 40 in Richtung des Pfeils R, so gelangt die Zahnlücke 60 vor den Südpol S. Diese Bewegung wird durch den Pfeil A dargestellt, der das Ausgangssignal von seinem Maximum auf sein Minimum verringert. Dreht sich das Zahnrad weiter, so gelangt der Zahn 52 vor den Südpol S, wie dies durch B angedeutet ist. Eine fortlaufende Drehung des Zahnrades 40 oder eines anderen mit magnetisch leitfähigen Teilen und dazwischen liegenden, nicht leitenden Teilen ausgestatteten Körpers führt zur Verringerung des Ausgangssignals im Punkt C und zum Ansteigen auf den Anfangswert im Zeitpunkt D, wenn der Zahn 54 dem Südpol gegenübersteht.

Die obere Kurve 80 in Fig. 3 ergibt sich, wenn der Permanentmagnet 12 stärker ist als der Magnet 10 oder das magnetfeldempfindliche Fühlerelement näher am Magneten 12 als am Magneten 10 angeordnet ist. Die effektive Feldstärkedifferenz zwischen den beiden Magneten ist derart gewählt, daß die Erhöhung der Feldstärke im ersten Permanentmagneten 10 durch die Anwesenheit eines der Zähne 50 bis 54 zu einem Maximalwert des Ausgangssignals führt, und dieses Ausgangssignal ein Minimum zeigt, wenn eine Zahnlücke 60 oder 62 dem Südpol S des Magneten 10 gegenübersteht.

Die untere Kurve 84 in Fig. 3 ergibt sich bei Verwendung eines Halleffektelements in Verbindung mit zwei Magneten unterschiedlicher Stärke, die derart bemessen sind, daß sich ein stets positives Signal veränderbarer Stärke ergibt. Die Lage des magnetfeldempfindlichen Fühlerelements zwischen den beiden Magneten beeinflußt die Stärke des Ausgangssignals in allen Positionen der Zähne und Lücken. Darüber hinaus erhöhen oder erniedrigen Änderungen in der relativen Stärke der beiden Magnete unabhängig von der Position des Fühlerelements die Amplitude des Ausgangssignal in allen Positionen der Zähne. Wird die effektive Magnetfeldstärke des ersten Magneten 10 durch Vorbeibewegen eines Zahnes an seinem Südpol erhöht, so reichen die rechtwinklig durch das Fühlerelement 30 von links nach rechts gerichteten Feldlinien aus, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das sich mit der genannten senkrechten Komponente des Magnetfelds ändert, aber stets positiv bleibt. Befindet sich kein Zahn vor dem Südpol des Magneten 10, so reicht die von rechts nach links durch das Hallelement gerichtete Feldstärke nicht aus, um ein Signal derjenigen Stärke zu erzeugen, die sich ergibt, wenn sich das Zahnrad 40 in den Positionen B und D befindet. Dies zeigt sich an den mit den Pfeilen A und C bezeichneten Punkten im unteren Teil von Fig. 3, wo die Signalamplitude wesentlich niedriger ist.

Obwohl die Erfindung anhand von Fig. 2 in Form eines speziellen Ausführungsbeispiels der Erfindung beschrieben wurde, ist offensichtlich, daß innerhalb des Rahmens der Patentansprüche zahlreiche Abwandlungen möglich sind. Magnetsensoren gemäß der Erfindung können das magnetfeldempfindliche Fühlerelement entweder in der Mitte zwischen den beiden Magneten oder mehr in der Nähe des einen Magneten anordnen. Im Grenzfall liegt das Fühlerelement auf einem der Magnete auf und weist einen Abstand nur zum anderen Magneten auf. Die beiden Magnete können derart ausgewählt werden, daß sie erheblich unterschiedliche magnetische Feldstärken liefern. Anstelle eines drehbaren Zahnrades 40 kann der bewegliche magnetische Körper geradlinig am äußeren Pol S des Magneten 10 vorbeigeführt werden. Der Körper kann auch frontal auf den Magneten 10 hin- und zurückbewegt werden. Anstelle eines Zahnrades kann man einen tassen- oder glockenförmigen Körper verwenden, in dessen Umfangswand mehrere Fenster und dazwischen liegende Stege vorgesehen sind. Anstelle eines oder mehrerer Zähne kann man beliebig geformte Nocken als Auslösekörper vorsehen. Der Abstand zwischen den einzelnen Zähnen, Nocken oder Stegen braucht nicht, wie dargestellt, gleich, sondern kann auch unterschiedlich sein. Die Polung der Magnete kann umgekehrt sein.

Claims (11)

1. Magnetsensor mit einem ein elektrisches Ausgangssignal liefernden, magnetfeldempfindlichen Fühlerelement, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ein erster (10) und ein zweiter Magnet (12) im Abstand voneinander längs einer gemeinsamen Achse (16) angeordnet sind;
• b) beide Magneten (10, 12) mit gleichnamigen Polen (N) einander gegenüberstehen;
• c) das Fühlerelement (30) im Zwischenraum (G) zwischen den benachbarten Polen (N) der beiden Magnete (10, 12) angeordnet ist; und
• d) ein zu sensierender Körper (24, 40) gegenüber dem dem Zwischenraum (G) fernen Pol (S) eines der beiden Magnete (10, 12) beweglich angeordnet ist.

2. Magnetsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (24) gegenüber dem Pol (S) des Magneten (10) verschiebbar ist.

3. Magnetsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (40) ein vor dem Pol (S) des Magneten (10) drehbares Zahnrad mit mehreren Zähnen (50, 52, 54) und dazwischen liegenden Zahnlücken (60, 62) ist.

4. Magnetsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (40) auf der Welle eines Verbrennungsmotors sitzt.

5. Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fühlerelement (30) ein Hallelement ist.

6. Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lage des Fühlerelements (30) im Zwischenraum (G), insbesondere sein Abstand von den sich gegenüberstehenden Polen (N) der Magnete (10, 12) einstellbar ist.

7. Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Magnete (10, 12) gleich starke Magnetfelder erzeugen.

8. Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Magnete (10, 12) verschieden starke Magnetfelder erzeugen.

9. Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fühlerelement (30) etwa in der Mitte (20) zwischen den beiden Magneten (10, 12) angeordnet ist.

10. Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abstand (Y) des Fühlerelements (30) von dem einen Magneten (10) geringer ist als der Abstand (X) vom anderen Magneten (12).

11. Magnetsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens einer der Magnete (10, 12) in Achsrichtung (16) verstellbar gelagert ist.