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Die Erfindung betrifft einen Detektor eines auf eine Bewegung
zurückgehenden Abstands zur Erfassung der Größe der Bewegung
eines Objekts.
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Verschiedene solcher Detektoren eines auf eine Bewegung
zurückgehenden Abstands wurden bereits geschaffen.
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So wird beispielsweise ein Detektor eines auf eine Bewegung
zurückgehenden Abstands, der in der ungeprüften japanischen
Patentveröffentlichung 2-302611 (und DE-A-3914400) offenbart ist,
zur Messung der Bewegung eines Bremspedals in einem Kraftfahrzeug
verwendet.
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Dieser Detektor eines auf eine Bewegung zurückgehenden Abstands
weist einen Kolben auf, der durch eine erste Druckfeder in einem
Zylinder gehalten und durch eine zweite Druckfeder mit einem
Bremspedal verbunden ist. Die erste Druckfeder ist starrer als
die zweite, so dass der Pedalhub, der durch die zweite Druckfeder
auf den Kolben wirkt, durch die starrere erste Druckfeder
verkürzt wird. Der so verkürzte Pedalhub wird von einem Detektor
erfasst. Mit anderen Worten: Der relativ große Pedalhub wird
durch Messung des verkürzten Kolbenhubs erfasst.
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Da bei dieser Anordnung der Pedalhub in Form des verkürzten
Kolbenhubs erfasst wird, ist die Auflösung der Erfassung, die
beispielsweise mittels eines Magnets und eines Hall-Sensors
erfolgt, schlecht. Außerdem ist die Ansprechempfindlichkeit
ebenfalls nicht gut, da Federn zur Verkürzung des Hubs verwendet
werden.
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Darüber hinaus wird bei dieser Anordnung die
Erfassungsgenauigkeit durch das Verhältnis der Starrheit zwischen der ersten und
der zweiten Druckfeder bestimmt. Daher ist es schwierig, die
Genauigkeit mit hoher Wiederholbarkeit einzustellen. Außerdem
ändert sich die Starrheit der Federn meist im Laufe der Zeit, was
zu Erfassungsfehlern führen kann.
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Bei einem in der ungeprüften japanischen
Gebrauchsmusterveröffentlichung 2-82604 offenbarten Sensor für den Hub einer
Aufhängung treten diese Probleme nicht auf. Er weist ein
Hüllenelement auf, das auf einer Kolbenstange eines zylindrischen
Stoßdämpfers angeordnet ist, und dessen Außenumfang in axialer
Richtung der Kolbenstange konisch zuläuft. Ein Abstandssensor,
der mit Hochfrequenz-Induktion oder elektrostatischer Induktion
arbeitet, ist gegenüber der Kegelfläche des Hüllenelements auf
dem Zylinder befestigt, so dass der Abstand zwischen der
Kegelfläche des Hüllenelements und dem Lückensensor sich linear mit
dem Kolbenhub ändert. Da dieser Abstand direkt in den Hub der
Kolbenstange umgewandelt wird, kann der Hub mit einer besseren
Reaktion, höherer Genauigkeit und größerer Wiederholbarkeit
erfasst werden. Darüber hinaus ist es weniger wahrscheinlich,
dass sich die Messwerte mit der Zeit ändern.
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Die Erfassungsgenauigkeit dieses Sensors für den Hub einer
Radaufhängung hängt zum großen Teil von der Maßgenauigkeit des
Hüllenelements ab. Daher muss das Hüllenelement mit hoher
Genauigkeit zerspant werden. Dies führt zu relativ hohen
Herstellungskosten der gesamten Vorrichtung.
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Darüber hinaus offenbart das europäische Patent EP-A-0 325 787
einen Wellenpositionssensor zur Erfassung der Position einer
mehrere Umdrehungen ausführende Welle. Die Rotation der mehrere
Umdrehungen ausführenden Welle wird über eine mehrere Umdrehungen
ausführende Schraube und eine nicht-drehbare Mutter in eine
lineare Bewegung umgewandelt. Auf der nicht-drehbaren Mutter ist
ein Magnet befestigt. Die lineare Bewegung des Magneten wird
unter Verwendung einer oder mehrerer magneto-resistiver
Strukturen in ein elektrisches Signal umgewandelt. Ein Paar Flussplatten
werden auf jeder Seite der linearen Bahn des Magneten angeordnet,
wobei mindestens ein schmaler Spalt gegenüber einem Ende der
linearen Bahn des Magneten verbleibt. In jedem schmalen Spalt
dieser Art ist eine einzige magneto-resistive Struktur
angeordnet. Eine elektrische Schaltung misst den Widerstand der einen
oder mehreren magneto-resistiven Strukturen, wobei dieser
Widerstand mit dem magnetischen Fluss variiert, und erzeugt ein
elektrisches Positionssignal, das die Drehposition der mehrere
Umdrehung ausführenden Welle anzeigt.
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Die britische Schrift GB-A-2 272 060 offenbart einen Detektor
eines auf eine Bewegung zurückgehenden Abstands gemäß dem
Oberbegriff der Ansprüche 1, 4 und 5. Mit dieser Anordnung wird der
effektive Arbeitsbereich eines Aktivierungsmagneten auf einem
Positionserfassungs-Array von Festkörper-Hallefekt-Bauelementen
verbessert, indem Flusskonzentrationselemente verwendet werden,
die den Fluss entlang dem Array der Erfassungsvorrichtungen
leiten. Die Elemente sind eine Anzahl von Stäben, die jeweils
eine magnetische Permeabilität aufweisen, die im Wesentlichen
größer ist als die des freien Raums, und die zwischen jedem Paar
von Erfassungsvorrichtungen mit diesen fluchtend in dem Array
angeordnet sind. Diese Anordnung wird verwendet, um eine
Fluidhöhe zu erfassen, wobei der Magnet mit einem Schwimmer auf der
Innenseite einer Wandung eines Tanks gekoppelt ist. Das
magnetische Betätigungsmittel ist vorzugsweise ein rohrförmig
ausgebildeter Ringmagnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Detektor eines
auf eine Bewegung zurückgehenden Abstands zu schaffen, der
einfach aufgebaut ist und daher kostengünstig hergestellt werden
kann und der die Bewegung eines Objekts mit hoher
Ansprechempfindlichkeit, Genauigkeit und Wiederholbarkeit und geringer
Veränderung im Laufe der Zeit erfassen kann.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe jeweils mit den Merkmalen der
Ansprüche 1, 4 und 5.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird durch den magnetischen Körper
und den Magneten, die einander gegenüberliegen, ein magnetischer
Kreis gebildet. Die magnetischen Flüsse, die durch den Magneten
erzeugt werden, werden auf den magnetischen Körper gerichtet.
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Die Anzahl der Flüsse des Magneten, die durch den magnetischen
Körper fokussiert werden, ändert sich mit dem relativen Abstand
zwischen dem magnetisch sensitiven Element und dem Magneten.
Daher kann die relative Position zwischen dem magnetischen Körper
und dem Magneten durch das magnetisch sensitive Element, das an
dem magnetischen Körper befestigt ist, erfasst werden.
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Der magnetische Körper weist einen Bereich auf, der sich entlang
einer Bahn des Magneten erstreckt und gegenüber dem Magneten
angeordnet ist, so dass ein magnetischer Kreis entlang der
magnetischen Bahn gebildet wird. Daher verbessert sich die
Sensitivitätsverteilung des magnetisch sensitiven Elements entlang der
magnetischen Bahn.
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Da die magnetischen Flüsse, die sich relativ entlang dem Magneten
bewegen, durch den magnetischen Körper fokussiert werden,
verbessert sich bei dieser Anordnung die Sensitivität des magnetisch
sensitiven Elements und damit seine Auflösung.
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Bei der Anordnung, bei der die Pole des Magneten parallel zu der
magnetischen Bahn angeordnet sind, bei der der magnetische Körper
die Form einer kegelstumpfartigen Pyramide hat, deren Grundfläche
dem Magneten gegenüberliegt, und bei der das magnetisch sensitive
Element auf der Spitze der kegelstumpfartigen Pyramide angeordnet
ist, werden die magnetischen Flüsse des Magneten, die auf die
Grundfläche der kegelstumpfartigen Pyramide fokussiert werden,
zur Endfläche der Spitze der kegelstumpfartigen Pyramide geführt.
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Wenn bei dieser Anordnung die Richtung, in der das magnetisch
sensitive Element, das auf der Spitze der kegelstumpfartigen
Pyramide befestigt ist, das magnetische Feld erfasst,
beispielsweise senkrecht zu der magnetischen Bahn vorgesehen ist, so
erfasst es die vertikale Komponente der magnetischen Flüsse, die
vom Nordpol des Magnets zu dessen Südpol gerichtet sind, d.h. die
magnetischen Flüsse, die vom Nordpol des Magneten auf den
magnetischen Körper gerichtet sind, und die magnetischen Flüsse, die
von dem magnetischen Körper auf den Südpol des Magneten gerichtet
sind.
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Wenn sich also der Magnet in der Mitte der Grundfläche des
magnetischen Körpers befindet, erfasst das magnetisch sensitive
Element dieselbe Anzahl von magnetischen Flusslinien, jedoch in
entgegengesetzten Richtungen. Da derartige magnetische Flüsse
einander neutralisieren, wird kein Ausgangssignal erzeugt.
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Wenn sich jedoch andererseits der Magnet an einem der Enden der
Grundfläche des magnetischen Körpers befindet, kann der
magnetische Körper nur die magnetischen Flüsse in einer Richtung
fokussieren. Daher wird ein den Flüssen in einer Richtung
entsprechendes Ausgangssignal erzeugt.
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Befindet sich der Magnet irgendwo zwischen der Mitte und einem
der Enden der Grundfläche, so erzeugt das magnetisch sensitive
Element ein Ausgangssignal, das dem Unterschied zwischen den
magnetischen Flüssen in entgegengesetzten Richtungen entspricht,
die durch den magnetischen Körper fokussiert werden.
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Bei der Anordnung, bei der die Pole des Magneten senkrecht zur
magnetischen Bahn angeordnet sind und der Magnet eine Länge hat,
die im Wesentlichen seinem Bewegungsabstand entspricht, werden
nur die magnetischen Flüsse erfasst, die vom Nordpol zum Südpol
des Magneten gerichtet sind.
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Die magnetischen Flüsse, die durch den Bereich des Magneten
erzeugt werden, der den magnetischen Körper überlappt, werden
durch das magnetisch sensitive Element erfasst. Daher ist es
möglich, die relative Bewegung zwischen dem Magneten und dem
magnetischen Körper zu erfassen, indem die magnetische
Flussdichte erfasst wird, die sich mit der Fläche des
Überlappungsbereichs zwischen dem Magneten und dem magnetischen Körper
ändert.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend
anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei die Ausführungsformen
gemäß Fig. 1 bis 8 und 13, 14 nicht im Umfang der Erfindung
liegen. In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten
Ausführungsform;
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Fig. 2 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen
der Bewegung des Magneten und der Ausgangsspannung bei
der ersten Ausführungsform;
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Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten
Ausführungsform;
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Fig. 4 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen
der Bewegung des Magneten und der Ausgangsspannung bei
der zweiten Ausführungsform;
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Fig. 5 eine schematische Darstellung einer dritten
Ausführungsform;
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Fig. 6 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen
der Bewegung des Magneten und der Ausgangsspannung bei
der dritten Ausführungsform;
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Fig. 7 eine schematische Darstellung einer vierten
Ausführungsform;
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Fig. 8 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen
der Bewegung des Magneten und der Ausgangsspannung bei
der vierten Ausführungsform;
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Fig. 9 eine schematische Darstellung einer fünften
Ausführungsform;
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Fig. 10 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen
der Bewegung des Magneten und der Ausgangsspannung bei
der fünften Ausführungsform;
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Fig. 11 eine schematische Darstellung einer sechsten
Ausführungsform;
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Fig. 12 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen
der Bewegung des Magneten und der Ausgangsspannung bei
der sechsten Ausführungsform;
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Fig. 13 eine schematische Darstellung einer siebenten
Ausführungsform;
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Fig. 14 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen
der Bewegung des Magneten und der Ausgangsspannung bei
der siebenten Ausführungsform;
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Fig. 15A eine Seitenansicht im Teilschnitt einer achten
Ausführungsform;
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Fig. 15B eine entsprechende Vorderansicht;
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Fig. 16A eine Seitenansicht im Teilschnitt einer neunten
Ausführungsform; und
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Fig. 16B eine entsprechende Vorderansicht.
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Fig. 1 zeigt die erste Ausführungsform eines Detektors eines auf
eine Bewegung zurückgehenden Abstands.
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Der Detektor eines auf eine Bewegung zurückgehenden Abstands
gemäß der ersten Ausführungsform weist einen Ringmagneten 1 auf,
der entlang einer Bahn L bewegbar ist und eine sich parallel zu
der Bahn L erstreckende Achse aufweist, einen stabförmigen
magnetischen Körper 2, der parallel zu dem geometrischen Ort des
beweglichen Magneten 1 und entlang der Bahn L angeordnet ist,
sowie ein magnetisch sensitives Element 3, das an einem Ende des
magnetischen Körpers 2 befestigt ist.
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Der Magnet 1 besteht aus SmCo und hat einen Innendurchmesser von
9 mm; seine Magnetpole N, S sind parallel zu der Bahn L
angeordnet.
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Der magnetische Körper 2 besteht aus S45C-Stahl und hat einen
Außendurchmesser von 4 mm sowie eine Länge von 30 mm.
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Das magnetisch sensitive Element 3 dieser Ausführungsform ist ein
Magneto-Resistor, der im Inneren eine Vollbrücke bildet. Es ist
so befestigt, dass seine Erfassungsfläche mit einer Endfläche des
magnetischen Körpers 2 in Kontakt ist.
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Daher stimmt die Richtung, in der der Magneto-Resistor 3 das
Magnetfeld erfasst, mit der Richtung der Bahn L überein.
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Durch den magnetischen Körper 2 und den Magneten 1, die einander
gegenüberliegen, wird ein magnetischer Kreis gebildet. Der
magnetische Körper 2 fokussiert magnetische Flüsse, die durch den
Magneten 1 erzeugt werden und sich parallel zur Bahn L
erstrekken.
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Die Anzahl der durch den magnetischen Körper 2 fokussierten
magnetischen Flüsse hängt vom Abstand zwischen dem
Magneto-Resistor 3 und dem Magneten 1 ab.
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Um die tatsächliche Erfassungssensitivität und die Auflösung des
Detektors zu überprüfen, wurde die Ausgangsspannung des Magneto-
Resistors 3 gemessen, wenn der Magnet 1 parallel zu dem
magnetischen Körper 2 bewegt wird, wobei eine konstante Spannung von 5V
an dem Magneto-Resistor 3 angelegt wurde, und wobei der Spalt
zwischen dem magnetischen Körper 2 und dem Magneten 1 zwischen 4
und 14 mm verändert wurde.
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Die Ergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt.
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Die Ausgangsspannungskurven in Fig. 2 zeigen deutlich, dass die
Ausgangsspannung dazu neigt, linear anzusteigen, wenn der Magnet
1 sich nahe an dem Magneto-Resistor 3 bewegt - unabhängig von der
Größe des Spalts.
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Diese Figur zeigt auch, dass der Gradient der Kurve umgekehrt
proportional zu der Größe des Spalts ist. Je kleiner der Spalt
ist, desto größer ist die Steigung. Also ist es möglich, durch
Einstellen der Größe des Spalts eine hohe Auflösung des Detektors
zu erzielen.
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Folglich kann dieser Detektor die Richtung und die Größe der
Bewegung des Magneten 1 relativ zu dem magnetischen Körper 2
erfassen.
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Negative Ausgangsspannungen werden erzeugt, da der
Magneto-Resistor 3 eine Brückenschaltung darstellt, so dass die Polarität
umgekehrt wird, wenn sich die Richtung des Magnetfelds ändert.
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Fig. 3 zeigt die zweite Ausführungsform.
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Bei der zweiten Ausführungsform sind Magneto-Resistoren 3 an
beiden Enden des magnetischen Körpers 2 der ersten
Ausführungsform befestigt, um Differenz-Ausgangssignale zu erzeugen.
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Die Ausgangsspannung wurde unter den gleichen Bedingungen
gemessen wie bei der ersten Ausführungsform. Die Ergebnisse sind in
Fig. 4 dargestellt.
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In diesem Fall waren die erzielten Ausgangsspannungen etwa
doppelt so groß wie die, die bei der ersten Ausführungsform erzielt
wurden, da sie Differenz-Ausgangssignale sind. Daher wurde die
Linearität deutlich verbessert.
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Fig. 5 zeigt die dritte Ausführungsform, bei der ein
zylindrischer Magnet 1 mit 4 mm Durchmesser verwendet wurde, welcher
senkrecht zu der Richtung der Bahn L polarisiert ist, so dass
magnetische Flüsse in einem rechten Winkel zu dem magnetischen
Körper 2 erzeugt werden.
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Um die Linearität zu verbessern und die Sensitivität zu erhöhen,
wurde außerdem ein Hall-Element als magnetisch sensitives Element
3 verwendet. Es wurde so angeordnet, dass seine Erfassungsfläche
mit einer Endfläche des magnetischen Körpers 2 in Kontakt war.
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Die Ausgangsspannung wurde unter den gleichen Bedingungen
gemessen wie bei der ersten Ausführungsform. Die Ergebnisse sind in
Fig. 6 dargestellt.
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Da die Magnetpole senkrecht zur Bahn L angeordnet sind,
existieren in diesem Fall weniger magnetische Flüsse, die parallel zu
der Bahn sind und durch den magnetischen Körper 2 fokussiert
werden können. Wenn der Spalt relativ groß ist, ist daher die
Ausgangsspannungskurve meist im Wesentlichen flach, wobei sich
die Ausgangsspannung nur geringfügig ändert. Wenn der Spalt
jedoch ausreichend klein ist, so dass der Magnet 1 sich nahe an
dem magnetischen Körper 2 befindet, ändert sich die
Ausgangsspannung beträchtlich.
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Also kann diese Vorrichtung als Detektor eines auf eine Bewegung
zurückgehenden Abstands verwendet werden, indem die Größe des
Spalts in geeigneter Weise eingestellt wird.
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Fig. 7 zeigt die vierte Ausführungsform.
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Der Magnet 1 der vierten Ausführungsform hat eine Länge, die dem
Verfahrweg des Magneten 1 (30 mm lang, 9 mm breit und 2 mm dick)
entspricht. Der Magnet ist vertikal polarisiert, wie bei der
dritten Ausführungsform.
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Die Ausgangsspannung wurde unter den gleichen Bedingungen
gemessen wie bei der ersten Ausführungsform. Die Ergebnisse sind in
Fig. 8 dargestellt.
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In diesem Fall nimmt die Anzahl der durch den magnetischen Körper
2 fokussierten magnetischen Flüsse in Abhängigkeit von der Fläche
des Bereichs, an dem der Magnet 1 den magnetischen Körper 2
überlappt, ab oder zu. Also ändert sich die Ausgangsspannung mit
der Bewegung des Magneten 1.
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Aus dem obengenannten Grund variierte die erfasste magnetische
Flussdichte innerhalb eines größeren Bereiches, so dass bei
dieser Ausführungsform größere Ausgangssignale erzielt wurden als
bei der dritten Ausführungsform.
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Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise als ON-OFF-Sensor
verwendet werden, um zu erfassen, ob der Magnet 1 näher
herangekommen ist als ein vorherbestimmter Punkt.
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Fig. 9 zeigt die fünfte Ausführungsform, bei der der Magnet 1 dem
in der ersten Ausführungsform benutzten Ringmagneten entspricht.
Der magnetische Körper 2 hat die Form einer kegelstumpfartigen
Pyramide, deren Grundfläche (4 mm x 30 mm) dem Magneten 1
gegenüberliegt. Ein Magneto-Resistor 3 ist an der Fläche der Spitze (4
mm x 4 mm) der kegelstumpfartigen Pyramide befestigt.
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Daher ist bei dieser Ausführungsform die Richtung, in der der
Magneto-Resistor 3 das Magnetfeld erfasst, senkrecht zur Bahn L.
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Die Ausgangsspannung wurde unter den gleichen Bedingungen
gemessen wie bei der ersten Ausführungsform. Die Ergebnisse sind in
Fig. 10 dargestellt.
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In diesem Fall waren die erfassten Ausgangssignale sehr viel
linearer als die, die bei den anderen Ausführungsformen erzielt
wurden.
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Dies resultiert wahrscheinlich aus der Form des magnetischen
Körpers 2. Denn da der magnetische Körper die Form einer
kegelstumpfartigen Pyramide hat, werden die magnetischen Flüsse des
Magneten 1, die an der Grundfläche der kegelstumpfartigen
Pyramide fokussiert werden, zu deren oberer Fläche geführt und durch
den Magneto-Resistor 3 erfasst.
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Da der Magneto-Resistor 3 die magnetischen Flüsse erfasst, die
sich senkrecht zur Bahn L erstrecken, erfasst er den Fluss in
einer Richtung, solange der Magnet 1 sich an einem Ende der
Grundfläche des magnetischen Körpers 2 befindet, wie in Fig. 9
durch die gestrichelte Linie dargestellt.
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Am mittigen Bereich erfasst der Resistor 3 die Flüsse in beide
Richtungen. Folglich ist das Ausgangssignal in diesem Zustand
gleich Null, da die Flüsse in entgegengesetzte Richtung einander
neutralisieren.
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Wenn der Magnet sich irgendwo zwischen dem mittigen Bereich und
einem der Enden des magnetischen Körpers befindet, erzeugt der
Resistor 3 ein Ausgangssignal, das dem Unterschied zwischen den
Flüssen in eine Richtung und den Flüssen in die entgegengesetzte
Richtung entspricht. Daher können vorteilhafte
Erfassungseigenschaften erzielt werden, wie in Fig. 10 dargestellt.
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Denn die Größe der Bewegung des Magneten relativ zu dem
magnetischen Körper kann mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
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Fig. 11 zeigt die sechste Ausführungsform, bei der der Magnet 1
ein plattenförmiger Magnet 1 (9 mm breit, 30 mm lang und 2 mm
dick) ist, der senkrecht zur Bahn L polarisiert ist und um einen
Betrag bewegbar ist, der seiner Länge entspricht.
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Fig. 12 zeigt die Änderung des Ausgangssignals des
Magneto-Resistors 3 im Verhältnis zur Bewegung des Magneten 1, welche unter
den gleichen Bedingungen gemessen wurde wie bei der ersten
Ausführungsform.
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In diesem Fall steigt das Ausgangssignal linear ab der Position,
an der das vordere Ende des Magneten 1 mit einem Ende des
magnetischen Körpers 2 fluchtet.
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Dies liegt daran, dass die Flüsse des Magneten 1 an seinem
Überlappungsbereich mit dem magnetischen Körper 2 durch den
magnetischen Körper 2 fokussiert und durch den Magneto-Resistor 3
erfasst werden. Denn das Ausgangssignal ändert sich mit der
magnetischen Flussdichte, die sich wiederum mit der Fläche des
Überlappungsbereichs des Magneten 1 und des magnetischen Körpers 2
und damit mit der Größe der Bewegung des Magneten 1 ändert.
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Fig. 13 zeigt die siebente Ausführungsform.
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Der bei der siebenten Ausführungsform verwendete Magnet 1
entspricht dem Ringmagneten, der bei der fünften Ausführungsform
verwendet wurde; der magnetische Körper 2 ist jedoch stabförmig.
Ein Magneto-Resistor 3 ist auf dem magnetischen Körper in der
Mitte befestigt, und zwar auf der von dem Magneten 1 entfernten
Seite. Um die Ausgangssignale des magnetischen Körpers 2 in der
Form einer kegelstumpfartigen Pyramide gemäß der fünften
Ausführungsform und des stabförmigen magnetischen Körpers 2 dieser
Ausführungsform zu vergleichen, wurden die Ausgangsspannungen,
die bei dieser Ausführungsform erzielt wurden, unter den gleichen
Bedingungen wie bei der ersten Ausführungsform gemessen.
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Die Ergebnisse sind in Fig. 14 dargestellt.
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In diesem Fall war das Ausgangssignal etwa halb so groß wie die
Leistung, die bei der fünften Ausführungsform erzielt wurde, und
die Linearität war ebenfalls wesentlich geringer. Dies zeigt,
dass die fünfte Ausführungsform zu bevorzugen ist.
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Durch die Verwendung eines magnetischen Körpers 2 mit einer
einfachen Form, wie z.B. der eines Stabes oder einer
kegelstumpfartigen Pyramide, in Kombination mit einem Magneten 1 kann die
relative Position zwischen diesen Elementen mit einer hohen
Auflösung erfasst werden.
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Daher kann die relative Position zwischen zwei Objekten mit hoher
Genauigkeit erfasst werden, indem der Magnet 1 an einem der
Objekte und der magnetische Körper 2 an dem anderen Objekt
befestigt wird. Ein derartiger Detektor eines auf eine Bewegung
zurückgehenden Abstands kann einfach und kostengünstig
hergestellt werden.
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Durch das Einstellen der Richtung der Polarität des Magneten 1
ist es möglich, die relative Position zwischen zwei Objekten
unabhängig von der Größe des Spalts zwischen diesen zu erfassen.
Daher ist bei der Montage keine hohe Genauigkeit erforderlich.
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Der vorliegende Detektor kann die relative Position zwischen dem
Magneten und dem magnetischen Körper mit der gleichen Genauigkeit
erfassen, unabhängig davon, ob der magnetische Körper auf einem
beweglichen oder einem festen Element befestigt ist.
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Bei den Ausführungsformen wurden ein Magneto-Resistor oder ein
Hall-Element als magnetisch sensitives Element verwendet. Es kann
jedoch auch ein beliebiges anderes Element sein, vorausgesetzt,
sein Ausgangssignal ändert sich mit der Intensität des erfassten
Magnetfelds.
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Vorzugsweise sollte das Magnetfeld in der Richtung erfasst
werden, die in der Beschreibung jeder Ausführungsform angegeben ist.
Wenn nötig, kann diese Richtung jedoch geringfügig geändert
werden, und zwar innerhalb eines Bereiches, der gewährleistet,
dass das Ausgangssignal und die kleinste erfassbare Bewegung
nicht übermäßig abnehmen.
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Fig. 15A und 15B zeigen die achte Ausführungsform.
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Das Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Ringmagneten, der
beispielsweise 16 mm Außendurchmesser und 9 mm Innendurchmesser hat und 2
mm dick ist. Er besteht aus einem seltenen Erdmetall. Sein
Nordpol und sein Südpol sind parallel zur Bewegungsrichtung des
Magneten angeordnet.
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Das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen stabförmigen magnetischen
Körper zur Übertragung von Magnetismus. Er besteht aus einem
magnetischen Weicheisen, hat einen Außendurchmesser von 6 mm und
ist 30 mm lang. Außerdem läuft sein Endbereich, der etwa ein
Drittel der Gesamtlänge ausmacht, konisch zu, so dass der
Außendurchmesser auf 4 mm an seinem schmäleren Ende abnimmt. An dem
nicht-konischen Ende des magnetischen Körpers 2 ist ein
magnetisch sensitives Element 3 in Form eines MR-Elements (magneto-
resistives Element oder Magneto-Resistor) befestigt.
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Bei dieser Ausführungsform ist der stabförmige magnetische Körper
2 an einem festen Element befestigt, während der Magnet 1 an
einem Objekt befestigt ist, dessen Bewegung gemessen werden soll.
Wenn der Magnet 1 in Richtung des magnetischen Körpers 2 bewegt
wird, wobei er konzentrisch zu dem magnetischen Körper 2 bleibt,
damit er auf den magnetischen Körper passt, erzeugt das
magnetisch sensitive Element 3, das an dem magnetischen Körper 2
befestigt ist, magnetische Signale. Die Signale werden einer
(nicht dargestellten) Signalverarbeitungsschaltung zugeführt, in
welcher sie in Spannungssignale umgewandelt und verstärkt werden.
Damit wird der auf eine Bewegung zurückgehende Abstand des
Objekts erfasst.
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Fig. 16A und 16B zeigen die neunte Ausführungsform. Der Magnet 4
ist eine kleine Scheibe mit einem Außendurchmesser von 6 mm und
einer Dicke von 2mm. Er besteht aus einem seltenen Erdmetall. Der
magnetische Körper 5 zur Übertragung von Magnetismus besteht aus
einem magnetischen Weicheisen und hat an seinem Ende einen
Außendurchmesser von 14 mm sowie einen maximalen Innendurchmesser von
10 mm. Der Bereich, der sich von diesem Ende über etwa ein
Drittel
der Gesamtlänge erstreckt, läuft konisch zu. Der
verbleibende, nicht-konische Bereich hat einen Innendurchmesser von 8 mm.
Die nicht-konische innere Umfangsfläche ist 30 mm lang. Ein Hall-
IC wird als magnetisch sensitives Element 6 an dem geschlossenen
Ende des magnetischen Körpers 5 befestigt.
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Bei der neunten Ausführungsform ist der zylindrische magnetische
Körper 5 an einem festen Element befestigt, während der Magnet 4
an einem Objekt befestigt ist, dessen Bewegung gemessen werden
soll. Der Magnet 4 wird von der Öffnung aus in den magnetischen
Körper 5 bewegt und bleibt dabei konzentrisch zu dem magnetischen
Körper 5.
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Wenn der Magnet 4 in den magnetischen Körper 5 bewegt wird,
erzeugt das magnetisch sensitive Element 6, das an dem magnetischen
Körper 5 befestigt ist, magnetische Signale. Diese werden einer
Signalverarbeitungsschaltung zugeführt, in welcher sie in
Spannungssignale umgewandelt und verstärkt werden. Damit wird der auf
eine Bewegung zurückgehende Abstand des Objekts erfasst.
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Mit beiden Ausführungsformen ist es möglich, eine lineare
Bewegung von mehr als 20 mm zu erfassen.
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Alternativ dazu kann der stabförmige oder zylindrische
magnetische Körper an einem Objekt befestigt sein, dessen Bewegung
gemessen werden soll, während der Magnet ortsfest angeordnet ist.
Das magnetische Element kann aus Permalloy oder einem anderen
weichen magnetischen Material bestehen. Der Magnet kann ein
Ferrit- oder Alnico-Magnet sein.
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Bei der achten und der neunten Ausführungsform ist die Fläche des
stabförmigen oder zylindrischen magnetischen Körpers, die dem
Magneten gegenüberliegt, kegelförmig. Der Abstand zwischen dem
Magneten und dem magnetischen Körper bei deren Bewegung relativ
zueinander kann mit hoher Genauigkeit erfasst werden, was eine
Korrektur jeglicher Nicht-Linearität des Detektor-Ausgangssignals
einfach macht.
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Außerdem bleibt selbst dann, wenn der Ringmagnet sich um seine
Achse drehen sollte, die relative Position zwischen dem Magneten
und dem magnetischen Körper unverändert. Sollte die Achse des
Magneten geringfügig mit der Achse des magnetischen Körpers
fluchten, entsteht ein Bereich, an dem der Abstand zwischen dem
Magneten und dem magnetischen Körper kleiner wird und ein
Bereich, an dem dieser Abstand größer wird. Daher wirken die
Einzelleistungen einander entgegen, so dass sich die Gesamtleistung
nur geringfügig ändert.