DE4437751A1 - Magnetischer Positionssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Positionssensor mit einem magnetisch leitfähigen, gegenüber einem magnetischen Kreis beweglichen Teil.

Zur Messung der Position von linear oder rotierend bewegten Teilen sind zahlreiche Sensoren, unter anderem auch magnetische Positionssensoren, bekanntgeworden. So zeigt beispielsweise EP 0 412 181 B1 eine Anordnung zur Erfassung der Drehstellung eines Rotationskörpers, die einen mit dem Rotationskörper gekoppelten Geberkörper aufweist, dem ein feststehendes Sensorsystem zugeordnet ist, das zwei weichmagnetische durch ein konstantes Magnetfeld beaufschlagte Leitkörper umfaßt, wobei zwischen dem einen Leitkörper und dem Geberkörper ein konstanter Übertragungsluftspalt besteht und der Geberkörper im Bereich des anderen Leitkörpers eine geometrische Form aufweist, die zu einer drehwinkelabhängigen Änderung des zwischen dem anderen Leitkörper und dem Geberkörper bestehenden Meßluftspaltes führt. Die bekannte Anordnung ist ferner mit einem Magnetfeldindikator versehen, dessen Ausgangssignal einem Regler zugeführt ist, der eine auf den Magnetfeldindikator wirkende Größe regelt. Dabei ist der Geberkörper rotationssymmetrisch ausgebildet und exzentrisch zur Rotationsachse des Rotationskörpers angeordnet.

Diese bekannte Anordnung gibt Impulse ab, die in einer elektrischen Schaltung ausgewertet werden. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß Änderungen des magnetischen Flusses im sensorischen Magnetkreis, die nicht von einer Winkeländerung herrühren, als Störsignale am Signalausgang wirksam sind. Die in dieser Anordnung verwendete Kompensation kann diese Störsignale nicht unterdrücken.

Bei einem durch DE 41 29 576 A1 bekannten magnetischen Meßsystem zur Drehwinkelmessung wird das sogenannte Sinus-Cosinus-Verfahren angewendet. Das bekannte Meßsystem tastet dabei mit mindestens zwei Differential-Feldplattenfühlern Oberflächenprofile eines weichmagnetischen zylindrischen Körpers ab. Abhängig von der geometrischen Dimensionierung der Anordnung sind die magnetischen Sensoren mehr oder weniger voneinander entfernt. Dadurch können sie nicht kostengünstig auf einem Chip implementiert werden und weisen in der Regel ein individuelles unterschiedliches Temperatur- und Signalübertragungsverhalten auf. Der Nachteil dabei ist, daß eine solche Anordnung bei großen Betriebstemperaturbereichen zusätzlich temperaturkompensiert werden muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen magnetischen Positionssensor derart auszubilden, daß das von einem Magnetfeld erzeugte Signal weitgehend störungsfrei die Position angibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der magnetische Kreis von einem dreischenkligen Teil und einem zweischenkligen Teil gebildet ist, daß sich die Teile derart gegenüberstehen, daß ihre Pole einen Spalt bilden, durch den das bewegliche Teil führbar ist, und daß im mittleren Schenkel des dreischenkligen Teils und, vorzugsweise mittig, im zweischenkligen Teil ein Magnet und ein Magnetfeldsensor angeordnet sind. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Abmessungen der Schenkel und des beweglichen Teils in Bewegungsrichtung des beweglichen Teils derart gewählt sind, daß bei Abweichungen des beweglichen Teils von einer Mittelstellung in einer Richtung der Magnetfeldsensor von einem magnetischen Fluß in einer ersten Richtung und bei Abweichungen in der anderen Richtung von einem magnetischen Fluß in der zweiten Richtung durchströmt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Positionssensor wird ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Nulldurchgang die Position des beweglichen Teils (Mittelstellung) eindeutig und unbeeinflußt von Störsignalen angibt. Dieser Nulldurchgang kann mit Hilfe von einfachen elektrischen Schaltungen ohne aufwendige Temperaturkompensation erkannt und in ein Schaltsignal umgewandelt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Positionssensor kann das bewegliche Teil auf einem Rotationskörper oder auf einem sich linear bewegenden Körper angeordnet sein, so daß der erfindungsgemäße Positionssensor sowohl zur Erfassung von Drehwinkeln als auch zur Erfassung von Linearpositionen geeignet ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform, die darin besteht, daß der Magnet ein Permanentmagnet ist, wird technischer Aufwand für bei einem Elektromagnet erforderliche Leitungen und Stromversorgungseinrichtungen gespart.

Der erfindungsgemäße Positionssensor hat den Vorteil, daß durch die Ausbildung des Sensors als solchen die zu erfassende Position als Differenzfluß abgebildet wird und von einem preiswerten Magnetfeldsensor, beispielsweise eines Hallsensors, eines magneto-resistiven oder mit einer einfachen Spule erfaßt werden kann, ohne eine Differenz mit einer angeschlossenen elektrischen Schaltung bilden zu müssen. Auf diese Weise werden Driftprobleme bei der Bildung der Differenz weitgehend umgangen. Darüberhinaus können elektrische Driftprobleme bei dem erfindungsgemäßen Positionssensor dadurch umgangen werden, daß der Magnet von einer von Wechselstrom durchflossenen Spule gebildet ist.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionssensors ist vorgesehen, daß der Magnet im mittleren Schenkel des dreischenkligen Teils und der Magnetfeldsensor im zweischenkligen Teil angeordnet sind. Grundsätzlich ist jedoch ein Vertauschen des Magnets und des Magnetfeldsensors bei dem erfindungsgemäßen Positionssensor möglich.

Ein besonders vorteilhafter Signalverlauf bei der Bewegung des beweglichen Teils durch den Spalt ergibt sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch, daß die Pole des zweischenkligen Teils etwa die Ausdehnung der Abstände zwischen den Schenkeln des dreischenkligen Teils aufweisen und daß das bewegliche Teil aus zwei mechanisch miteinander verbundenen Stücken besteht, deren Abmessungen in Bewegungsrichtung jeweils im wesentlichen den Abständen zwischen den Schenkeln des dreischenkligen Teils entsprechen und deren Abstand voneinander größer oder gleich der Abmessung des mittleren Schenkels des dreischenkligen Teils ist. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Abstand zwischen den Schenkeln des zweischenkligen Teils kleiner als die Abmessung des mittleren Schenkels des dreischenkligen Teils ist.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 das Ausführungsbeispiel und den magnetischen Fluß bei drei verschiedenen Positionen des beweglichen Teils und

Fig. 3 den Magnetfluß bzw. das im Magnetfeldsensor erzeugte elektrische Signal in Abhängigkeit von der Stellung des beweglichen Teils.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Der in Fig. 1 dargestellte Positionssensor besteht aus einem dreischenkligen Teil 1, dessen mittlerer Schenkel von einem Magneten 2 gebildet wird und dessen äußere Schenkel 3, 4 von einem U-förmigen Joch gebildet werden. Diesem Teil steht ein zweischenkliges Teil 5 gegenüber, der im mittleren Bereich von einem Magnetfeldsensor 6, beispielsweise einem Hallelement, unterbrochen ist. Ein aus magnetisch leitfähigem Material bestehendes bewegliches Teil 7 ist gegenüber den Teilen 1, 5 innerhalb eines zwischen dem Teil 1 und dem Teil 5 gebildeten Spalts verschiebbar. Das verschiebbare Teil 7 kann auf einer in Fig. 1 lediglich angedeuteten rotierenden Scheibe befestigt sein, wodurch ein Drehwinkelsensor entsteht. Es kann jedoch auf einer sich linear bewegenden Einrichtung angeordnet sein, um deren Position zu erfassen. Es besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei Stücken 8, 9.

Bei der in Fig. 2a gezeigten Stellung befindet sich das bewegliche Teil 7 links von der Mitte. Das eine Stück 8 des beweglichen Teils bildet eine Brücke zwischen dem linken Schenkel 3 des Teils 1 und dem linken Schenkel des Teils 5. Das rechte Stück 9 des beweglichen Teils 7 stellt eine magnetisch leitende Verbindung zwischen dem Magneten 2 und dem rechten Schenkel des Teils 5 dar. Damit ergibt sich der in Fig. 2a dargestellte magnetische Kreislauf und ein Fluß durch den Magnetfeldsensor 6 in der gezeigten Richtung.

Befindet sich das bewegliche Teil 7 in der Mittelstellung gemäß Fig. 2b, verlaufen alle magnetischen Kraftlinien symmetrisch zu der strichpunktiert dargestellten Mittellinie, so daß durch den Magnetfeldsensor 6 keine magnetischen Feldlinien hindurchtreten. Außerdem ist der Luftweg zwischen dem Nordpol N des Magneten 2 und den beiden Stücken 8, 9 des beweglichen Teils relativ groß, so daß der magnetische Fluß ohnehin recht klein ist, so daß sich möglicherweise vorhandene Unsymmetrien nicht auswirken.

Wird das bewegliche Teil 7 über die Mittelstellung hinaus bewegt, kehren sich die Verhältnisse gegenüber Fig. 2a um, so daß sich der in Fig. 2c dargestellte magnetische Fluß ergibt.

Fig. 3 zeigt das von dem Magnetfeldsensor 6 abnehmbare Signal U in Abhängigkeit von der Stellung x des beweglichen Teils, wobei die Stellungen entsprechend Fig. 2 bezeichnet sind. In der Stellung a besitzen die Luftspalte von dem Magneten zum rechten Schenkel des Teils 5 und vom linken Schenkel 3 des Teils 1 zum linken Schenkel des Teils 5 einen kleinen magnetischen Widerstand sowie vom rechten Schenkel 4 des Teils 1 zum rechten Schenkel des Teils 5 hohe magnetische Widerstände. Dadurch wird der Magnetfeldsensor im Teil 5 der Stellung a von rechts nach links durchflutet. Wird das bewegliche Teil über seine Mittelstellung b hinweg in seine rechte Position c verschoben, kehren sich die Verhältnisse um, so daß im Magnetfeldsensor 6 ein magnetischer Fluß von links nach rechts entsteht. Der erfindungsgemäße Positionssensor arbeitet als magnetische Brückenschaltung, bei welcher in der Mittelstellung b das Ausgangssignal 0 ist.

Die in Fig. 3 als Beispiel dargestellte Form des Signals U ist durch die Form und Größe der Teile des Magnetkreises und des beweglichen Teils beeinflußbar und kann somit an verschiedene Verwendungszwecke des erfindungsgemäßen Positionssensors angepaßt werden. Die Teile des Magnetkreises können dazu auch mit Freiformkonturen versehen werden. Beispielsweise kann damit eine häufig bei Drehwinkelsensoren erwünschte Erweiterung des linearen Bereichs erzielt werden.

Claims (7)

1. Magnetischer Positionssensor mit einem magnetisch leitfähigen, gegenüber einem magnetischen Kreis beweglichen Teil, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis von einem dreischenkligen Teil (1) und einem zweischenkligen Teil (5) gebildet ist, daß sich die Teile derart gegenüberstehen, daß ihre Pole einen Spalt bilden, durch den das bewegliche Teil (7) führbar ist, und daß im mittleren Schenkel des dreischenkligen Teils (1) und, vorzugsweise mittig, im zweischenkligen Teil (5) ein Magnet (2) und ein Magnetfeldsensor (6) angeordnet sind.

2. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Schenkel und des beweglichen Teils (7) in Bewegungsrichtung des beweglichen Teils (7) derart gewählt sind, daß bei Abweichungen des beweglichen Teils (7) von einer Mittelstellung in einer Richtung der Magnetfeldsensor (6) von einem magnetischen Fluß in einer ersten Richtung und bei Abweichungen in der anderen Richtung von einem magnetischen Fluß in der zweiten Richtung durchströmt wird.

3. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (2) ein Permanentmagnet ist.

4. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet von einer von Wechselstrom durchflossenen Spule gebildet ist.

5. Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (2) im mittleren Schenkel des dreischenkligen Teils (1) und der Magnetfeldsensor (6) im zweischenkligen Teil (5) angeordnet sind.

6. Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole des zweischenkligen Teils (5) etwa die Ausdehnung der Abstände zwischen den Schenkeln des dreischenkligen Teils (1) aufweisen und daß das bewegliche Teil (7) aus zwei mechanisch miteinander verbundenen Stücken (8, 9) besteht, deren Abmessungen in Bewegungsrichtung jeweils im wesentlichen den Abständen zwischen den Schenkeln des dreischenkligen Teils (1) entsprechen und deren Abstand voneinander größer oder gleich der Abmessung des mittleren Schenkels des dreischenkligen Teils (1) ist.

7. Positionssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Schenkeln des zweischenkligen Teils (5) kleiner als die Abmessung des mittleren Schenkels des dreischenkligen Teils (1) ist.