DE69511063T2

DE69511063T2 - Inkrementaler geschwindigkeits- und / oder lagegeber

Info

Publication number: DE69511063T2
Application number: DE69511063T
Authority: DE
Inventors: Claude Oudet
Original assignee: Moving Magnet Technologie SA
Current assignee: Moving Magnet Technologie SA
Priority date: 1994-09-16
Filing date: 1995-09-15
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2015-09-16
Also published as: EP0729582B1; ES2139239T3; KR960706077A; DE69511063D1; EP0729582A1; JPH09505670A; US5814985A; WO1996008727A1; KR100386062B1; FR2724723A1; FR2724723B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen inkrementalen Geschwindigkeits- und/oder Positionsgeber, bei dem zur Geschwindigkeits- und/oder Positionserfassung eine gegenüber der Richtung und der Amplitude eines Magnetfeldes empfindliche Sonde, wie beispielsweise eine Hall-Sonde, eingesetzt wird, die geeignet ist, Geschwindigkeiten bis zu einem unteren Wert zu erfassen, welcher der Geschwindigkeit Null entspricht.
Die magnetische Sonde liefert ein elektrisches Signal, das vom sie durchdringenden Magnetfeld abhängt. Die Geschwindigkeitsgeber des Standes der Technik sind derart konzipiert, dass die Lageänderung eines beweglichen Organs eine Änderung des Magnetfeldes bewirkt. In der Folge wird in der Beschreibung der Ausdruck "Hall-Sonde" verwendet, um einen gegenüber der Richtung und der Amplitude eines Magnetfeldes empfindlichen Geber zu bezeichnen, der in Abhängigkeit von der Richtung und Amplitude des ihn durchdringenden Magnetfeldes ein elektrisches Signal liefert, ohne dass dieser Ausdruck in einer restriktiven Weise verstanden werden soll.
Ein erster Typ von Hall-Sonden-Gebern umfasst ein mobiles Organ, das einen Wechsel magnetischer Nord- und Südpole aufweist. Die Halll-Sonde ist einem ersten elektronischen Schaltkreis zugeordnet, der einen logischen Ausgang besitzt, welcher einen ersten Zustand annimmt, wenn der am Ausgang der Hall-Sonde angeordnete Komparator ein Signal oberhalb einer vorgegebener positiven Schwelle liefert, und welcher einen zweiten Zustand annimmt, wenn die Hall-Sonde ein Signal unterhalb einer vorgegebenen negativen Schwelle liefert. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in dem französischen Patent FR 2648914 beschrieben. Solche Geber sind empfindlich gegenüber verschiedenen äußeren Störungen und die Abmessungen des beweglichen Organs sind aufgrund seiner Kosten begrenzt.
Ein anderer Typ von Hall-Sonden-Gebern besteht aus einem gezahnten beweglichen Organ aus einem weichmagnetischen Material, einem Permarentmagneten und einer Hall-Sonde, welche zwischen der gezahnten Oberfläche des beweglichen Organs und dem Permanentmagneten angeordnet ist. Derartige Geber sind beispielsweise in dem Gebrauchsmuster FR 8209884 oder dem amerikanischen Patent US 5250925 beschrieben. Derartige Geber sind wenig für Gebrauch mit einer Oberfläche geeignet, die in kleinen Schritten gezahnt ist. Um die erfassbare Schrittweite zu reduzieren, ist es daher erforderlich, den Magneten an die gezahnte Oberfläche anzunähern, woraus sich im Fall einer Großserienfabrikation schwer einzuhaltende mechanische Randbedingungen ergeben.
Solche Geber sind vor allem schlecht an die Erfassung geringer Geschwindigkeiten angepasst und weiterhin auch schlecht an die Positionserfassung infolge des erhöhten mittleren Wertes der Feldstärke im Vergleich zu deren Modulationsamplitude. Dieser Mittelwert und seiner Übertragung in ein elektrisches Signal weist eine starke Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen schwer zu beherrschenden oder zu kompensierenden Toleranzen auf, dies sind insbesondere:
- die Charakteristiken B (H) des Magneten im zweiten Quadranten;
- die Abmessungstoleranzen des Magneten;
- die Temperaturkoeffizienten der Remanenzinduktion Br und der Koerzitivfeldstärke H des Magneten;
- die mehr oder weniger gute Sättigung des Magneten in Zuge seiner Magnetisierung;
- die geometrischen Toleranzen der Zahnung;
- der Abstand zwischen Magnet und Zahnung;
- die Positionierungstoleranzen der Hall-Sonde;
- der Offset und die und die verschiedenen Temperaturkoeffizienten der Hall- Sonde.
Im folgenden wird mit "Ebene YOZ" die Symmetrieebene der Zahnung des beweglichen Organs bezeichnet. OY bezeichnet die Bewegungsrichtung des beweglichen Organs. O bezeichnet den Punkt auf der Einhüllenden der Spitzen der Zähne, der auf der Geraden durch den Mittelpunkt der Hall-Sonde und des Magneten liegt. Wenn das bewegliche Organ ein gezahntes Rad ist, befindet sich der Mittelpunkt O' des gezahnten Rades auf der Achse OX.
Die Ebene XOZ bezeichnet die Symmetrieebene des Zahnes oder der Zahnlücke der bzw. die sich gegenüber der Hall-Sonde und des Permanentmagneten befindet. OZ bezeichnet die Achse, welche durch die Hall-Sonde, den Magneten und die gezahnte Oberfläche verläuft. OX ist im allgemeinen eine radiale Achse.
Im Fall eines Drehgebers ist XOY eine Tangentialebene zur Oberfläche eines gezahnten Rades, welches das bewegliche Organ bildet, und OX im allgemeinen eine Achse parallel zur Erzeugenden der Zahnung.
Im Fall eines Lineargebers ist XOY die Mittelebene der gezahnten Oberfläche.
Der elektronische Schaltkreis zum Verarbeiten des Signals, das von der Hall-Sonde geliefert wird, welche dazu ausgelegt ist, die OZ folgende Feldkomponente zu detektieren, kann einen gegenüber der Amplitude dieses Signals konstanten Vorzeichens empfindlichen Komparator umfassen, wobei die bereits erwähnten Nachteile hinsichtlich der Fluktuation des Signalmittelwertes bestehen. Im häufigsten Fall umfasst der elektronische Schaltkreis jedoch vor dem Komparator eine Hochpassfilter, der den Mittelwert des Signals eliminiert, um nur dessen Modulation hindurch zu lassen. Bei Fehlen dieses Filters kann die Modulation insoweit ausreichend sein, ohne dass der Komparator aktiviert ist.
Im Stand der Technik wurden zur Beseitigung der Nachteile, die bei geringen Geschwindigkeiten oder im Falle der Unmöglichkeit als Lagegeber zu arbeiten auftreten, verschiedene Lösungen vorgeschlagen, die sich nicht als vollständig zufriedenstellend erwiesen haben.
Eine erste Lösung ist in der Schrift PCT WO 87/06348 beschrieben, die sich auf einen Geber bezieht, welcher nicht nur die Variation des Magnetfeldes, sondern auch seinen Mittelwert detektiert, was den Einsatz eines Filters erfordert, der bei sehr geringen Geschwindigkeiten nicht funktioniert. Ebenso liefert der Filter bei Geschwindigkeiten, die plötzlich einen erhöhten Wert annehmen, erst am Ende mehrerer Perioden den Mittelwert. Es kann daher beim Anlaufen zu Erfassungsfehlern kommen.
Eine zweite Lösung, die im Patent BE 0363512 beschrieben ist, besteht im Einsatz zweier Hall-Sonden zur Bildung eines Differentialgebers.
Diese beiden Lösungen erfordern komplexe elektronische Schaltkreise oder Chips mit großer Oberfläche, wodurch die Kosten für diese Geber empfindlich ansteigen, insbesondere im Fall des Einsatzes eines Differentialgebers.
Eine dritte Lösung ist in dem amerikanischen Patent US 4481469 beschrieben, das einen Geber betrifft, der die Tangentialkomponente des Feldes entlang der Achse OY erfasst. Diese Komponente ändert ihr Vorzeichen bei einer Lageänderung um einen einem Schritt entsprechenden Wert und ihr Mittelwert ist gleich Null. Gewiss ermöglicht diese Lösung, den Nachteilen der Geber gemäß den beiden vorangegangenen Lösungen zum Teil abzuhelfen. Ein solcher Geber ist jedoch ebenfalls nicht vollständig zufriedenstellend. Die Amplitude der von der Hall-Sonde erfassten Magnetfeldkomponente ist schwach, besonders in der Nähe des Magneten. Zudem muss die Entfernung zwischen dem Magneten und der Zahnung im Vergleich zu den anderen Lösungen erhöht werden, da die Hall-Sonde in der Ebene XOZ und nicht mehr in einer zu XOY parallelen Ebene angeordnet werden muss. Diese Abstandserhöhung hat ebenfalls einen negativen Einfluss auf die Amplitude des erfassten Feldes und der Geber ist daher empfindlich gegenüber parasitären Magnetfeldern.
Andere Lösungen betreffen Geber, in denen die Hall-Sonde gegenüber einem Schlitz in einem metallischen Teil angeordnet ist. Das Patent US 5321355 betrifft einen Lagegeber, der eine Sonde mit Hall-Effekt einsetzt. Die Sonde mit Hall-Effekt ist in der Nähe eines metallischen Teils angeordnet, das einen Schlitz aufweist. Im Geber gemäß diesem Stand der Technik ist der in dem metallischen Teil vorgesehene Schlitz dazu bestimmt, die erhöhte Induktion des Permanentmagneten in eine schwache Induktion umzuwandeln, die mit einer Hall-Sonde kompatibel ist.
Aus dem Stand der Technik ist auch das deutsche Patent DE 36 38 622 bekannt, in dem die Hall-Sonde im Kanal eines ringförmigen Magneten angeordnet ist. Ein ringförmiger Magnet erzeugt ein Feld, das eine Zone mit der Feldstärke Null aufweist, die etwa auf der Mittenachse des Magneten an einem Ort angeordnet ist, der außerhalb des ringförmigen Magneten liegt. Dieser Punkt ist umso entfernter von der Frontalebene des ringförmigen Magneten, je bedeutender der Durchmesser des zentralen Kanals und je kürzer der Magnet ist. So liegt der singuläre Punkt beispielsweise für einen Magneten mit Durchmesser 10 mm und mit Länge 4 mm bei einem Innendurchmesser von 6 mm bei 1,2 mm bezüglich der Frontalebene des Magneten und nur noch bei mehr als 0,6 mm bei einem Durchmesser von 3 mm. Folglich ist dieser Durchmesser schon zu klein, um eine wirtschaftliche Ausführung bei einer Länge von 4 mm zu ermöglichen. Es ist ebenso sehr unvorteilhaft, die Masse des Magneten von der Achse OZ zu entfernen, auf der man die maximale Modulation erzeugen will; dies passiert jedoch unweigerlich mit den rohrförmigen Magneten gemäß dem Stand der Technik. Mit anderen Worten muss das Volumen der Öffnung im Verhältnis zum Volumen des Magneten soweit wie möglich verringert werden, was bei den bekannten Ausführungen bei weitem nicht der Fall ist.
Bei Gebern mit Magnet und Hall-Sonde hat man alles Interesse, möglichst schlanke Hall-Sonden, wie beispielsweise die HZ106C von Ashl mit einer Gesamtdicke von 0,6 mm, deren empfindliche Oberfläche bei 0,2 mm bezüglich der unteren Stirnseite liegt, einzusetzen, um den Luftspalt zwischen dem Magneten und der gezahnten Oberfläche zu reduzieren. Liegt der Nullfeldpunkt zu weit von der Stirnseite des Magneten entfernt, muß die Hall-Sonde vom Magneten entfernt werden, was eine Erhöhung des Luftspaltes erforderlich macht und damit eine Herabsetzung der Empfindlichkeit des Gebers mit sich zieht. Der Geber gemäß diesem Stand der Technik ist daher nicht für eine tatsächliche Miniaturisierung geeignet. Zudem ist die Einstellung der exakten Position der Hall-Sonde bezüglich der Annullatidnszone der OZ folgenden Feldkomponente äußerst kompliziert, da der Feldgradient erhöht ist und diese Einstellung wenig mit den vorgeschlagenen Mitteln kompatibel ist.
Das Patent US 5210489 aus dem Stand der Technik beschreibt eine Vorrichtung, die einen Magneten mit einer Rille umfasst, deren Ziel es ist, das Feld zu homogenisieren und die Flußlinien zu parallelisieren. Die Homogenisierung der homogenen Feldzone ist ein Ziel, das sich fundamental von demjenigen der vorliegenden Erfindung unterscheidet, bei der man nach einer Feldstärke Null in dem Bereich trachtet, in dem die Hall-Sonde angeordnet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Nachteilen der Geber gemäß den verschiedenen Lösungen aus dem Stand der Technik abzuhelfen, indem ein miniaturisierter Geber mit geringen Herstellungskosten vorgeschlagen wird, der die Erfassung von Geschwindigkeiten Null erlaubt (Wirkungsweise als Lagegeber), der wenig empfindlich gegenüber parasitären Magnetfeldern ist, indem eine Geometrie verwendet wird, die ein Magnetfeld hervorruft, das im Vorzeichen und in ausreichender Weise in der Amplitude variiert, und für den so wenig Bauteile wie möglich verwendet werden.
Hierzu betrifft der erfindungsgemäße Geber einen inkrementalen Positions- und/- oder Geschwindigkeitsgeber des Typs mit einem mobilen Element aus einem weichen Material, das mindestens einen Zahn umfaßt, der in einer zu einer Achse OY parallelen Richtung bezüglich eines Permanentmagneten, der entlang einer zu Achse OY etwa senkrechten Achse OZ magnetisiert ist, und bezüglich einer Sonde, wie einer Hall-Sonde, beweglich ist, die gegenüber der Richtung und der Amplitude des Magnetfeldes empfindlich ist, die im Luftspalt zwischen dem Magneten und dem Zahn des mobilen Elements derart angeordnet ist, dass ihre Achse höchster Empfindlichkeit etwa entlang der Achse OZ ausgerichtet ist, wobei der Geber derart dimensioniert ist, dass die Hall-Sonde in der Nähe eines besonderen Punktes der Achse OZ (Null-Feld-Punkt) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Sonde in einem Punkt angeordnet ist, in dem der Mittelwert des Magnetfeldes entlang OZ im Zuge einer Lageänderung des mobilen Elements etwa gleich dem Feld ist, das die Umschaltung eines elektronischen Schaltkreises zur Verarbeitung des Signals der Hall-Sonde bewirkt.
Der Umschaltwert des der Hall-Sonde zugeordneten integrierten elektronischen Schaltkreises entspricht einem schwachen Feld nahe Null und hängt vom gewählten integrierten Schaltkreis. Sein Absolutwert liegt vorzugsweise zwischen 0 und 20 ml, weiter vorzugsweise zwischen 0 und 8 mT.
Die Hall-Sonde ist außerhalb des von dem Magneten Volumens angeordnet, so dass eine Miniaturisierung des Gebers, speziell der Öffnung des Magneten möglich ist.
Die Ebene der Hall-Schicht der Hall-Sonde ist zwischen der Ebene, welche durch die dem mobilen Element am nächsten liegende Stirnseite des Magneten verläuft, und der das mobile Element berührenden parallelen Ebene in einem Abstand zur Stirnebene des Magneten angeordnet, der wenigstens gleich der Dicke der Schutzhülle der Hall-Schicht ist.
Der Magnet weist einen Hohlraum auf, der in der Nähe der senkrecht zur Verschiebungsachse des mobilen Elements durch die Hall-Sonde verlaufenden Achse angeordnet ist.
Im Sinne des vorliegenden Patents soll unter "Zahn" jedes Profil verstanden werden, das einen variablen Luftspalt auf der Achse OZ erzeugt. Dieses Profil kann regelmäßig oder nicht regelmäßig, konkav oder konvex, gegenüber einer im allgemeinen regelmäßigen Oberfläche hervorspringend oder durch Einkerbung gebildet sein.
Gemäß einer ersten Variante ist der Hohlraum ein den Permanentmagneten durchdringendes Loch sehr kleinen Durchmessers.
Gemäß einer anderen Variante besteht der Magnet aus einem scheibenförmigen Magneten, in den zumindest zum Teil ein koaxialer zylindrischer Hohlraum gebohrt ist.
Vorteilhafterweise ist die Hall-Sonde bei einer Ordinate z auf der Achse OZ angeordnet, so dass die durch die Gleichung
definierte Induktion etwa gleich dem mittleren Umschaltwert des der Hall-Sonde zugeordneten integrierten elektronischen Schaltkreises ist, wenn der Luftspalt zunimmt, wobei:
- BTotal die lnduktionskomponente entlang OZ ist;
- sich der Ursprung O der Achsen, von dem aus der Abstand z gemessen wird, auf der Stirnseite des Magneten gegenüber der Zahnung befindet;
- Br die Remanenzinduktion bezeichnet;
- Bvoller Magnetdie Induktion eines virtuellen ungelochten, insbesondere zylindrischen Magneten bezeichnet, dessen Außenabmessungen den Außenabmessungen des Permanentmagneten entsprechen;
- Bvirtueller Magnetdie Induktion eines virtuellen Magneten bezeichnet, dessen Außenabmessungen den Innenabmessungen des Hohlraumes entsprechen;
- BVerschlussmagnet die Induktion eines virtuellen Magneten bezeichnet, dessen Querschnitt dem Innenquerschnitt des Hohlraumes entspricht und dessen Höhe der Differenz zwischen dem realen Magneten und der Tiefe des Hohlraumes entspricht.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Variante ist die Hall-Sonde bei einer Ordinate z auf der Achse OZ, so dass die Induktion folgender Gleichung genügt:
wobei:
- BUmschaltung den Wert des Umschaltfeldes des integrierten Schaltkreises zur Verarbeitung des Signals der Hall-Sonde bezeichnet;
- Br die Remanenzinduktion bezeichnet;
- I die Differenz zwischen der Dicke des Magneten und der Tiefe des Hohlraumes bezeichnet (I ist im Fall eines den Magneten durchdringenden Loches gleich Null);
- L die Dicke des Magneten in dem Fall bezeichnet, in dem der Magnet einem großen Poljoch zugeordnet ist, dem somit die Rolle eines Magnetspiegels zukommt. Ist der Magnet keinem Poljoch zugeordnet, beträgt die Dicke des Magneten 2L;
- z die Ordinate der Hall-Sonde bezeichnet, die von einem Ursprung aus gemessen wird, der sich auf der Stirnseite des Magneten gegenüber der Zahnung befindet;
- R den Außenradius des Magneten bezeichnet;
- r den Radius des Hohlraumes oder des zylindrischen Loches bezeichnet. Gemäß einer ersten Ausführungsform zur Erfassung rotatorischer Lageänderungen ist das mobile Element ein Zahnrad.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform zur Erfassung linearer Lageänderungen ist das mobile Element eine Zahnstange.
Bevorzugt liegen die Querabmessungen des den Magneten durchdringenden Loches zwischen 0,8 und 1,8 mm, weiter vorzugsweise zwischen 0,8 und 1,3 mm.
Vorteilhafterweise entspricht die Form des Magneten der Form der Zahnung. Eine rechteckförmige Zahnung passt sich einem rechteckförmigen Magneten an.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Magnet, die Hall-Sonde und die zugeordneten elektronischen Schaltkreise in einem gegossenen Kunststoffgehäuse integriert. Diese Ausführung ermöglicht es, die Sonde bezüglich des Magneten präzise zu positionieren und das Spiel zwischen diesem eingeformten Ensemble und dem Zahnrad aus Gründen der Dicke oder der Abwesenheit von Kunststoff zwischen der Hall-Sonde und dem Magneten zu erhöhen.
Die Erfindung wird anhand der Lektüre der folgenden Beschreibung besser verstanden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen unter Bezug genommen wird, bei denen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des beweglichen Organs zeigt;
Fig. 2 eine Ansicht der Feldverteilung in der Ebene YOZ in der Umgebung des Loches im Magneten bei Abwesenheit eines Zahnes zeigt;
Fig. 3 eine Ansicht der Feldverteilung in der Ebene YOZ in der Umgebung des Loches im Magneten bei Anwesenheit eines Zahnes zeigt;
Fig. 4 eine Detailansicht der Zähne eines Rades zeigt;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform des Magneten zeigt;
Fig. 6 eine Ansicht einer dritten Ausführungsform des Magneten zeigt;
Fig. 7 eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsform zeigt;
Fig. 8 die Kurve Induktion/Abstand des Magneten zeigt, der bei der vierten Ausführungsform eingesetzt wird.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht des Gebers in einer Ausführung zum Erfassen von Geschwindigkeiten und Winkelpositionen.
Der Geber umfasst ein Zahnrad (1), das eine Vielzahl von Zähnen (2, 3, 4, 5) mit dazwischen liegenden Zahnlücken (6, 7, 8) aufweist. Das Rad besteht aus einem weichmagnetischen Material.
Der Geber umfasst im übrigen einen entlang der Radialachse ZOZ' magnetisierten Magneten (9). Der Magnet weist daher einen in Richtung des Zahnrades (1)gerichteten Pol und einen in die entgegengesetzte Richtung gerichteten anderen Pol auf. Eine Hall-Sonde (10) ist auf der Achse ZOZ' zwischen dem Zahnrad (1) und dem Permanentmagneten (9) angeordnet.
Der Magnet (9) ist ein Scheibenmagnet mit dem Durchmesser D und der Dicke L. Beispielsweise ist der Magnet vom Typ Samarium-Kobalt mit einem Durchmesser von 7 Millimetern und einer Dicke L von 2 Millimetern.
Der Magnet (9) ist von einem kreisförmigen Loch (11) mit einem Durchmesser von 1,4 Millimetern durchbohrt.
Der mittlere Abstand zwischen der Spitze eines Zahnes und dem Magneten beträgt 1,6 Millimeter und die Zahnhöhe liegt in der Größenordnung von 3,5 Millimetern.
Fig. 2 zeigt eine Simulation der Feldverteilung in der Umgebung des Loches (11) des Scheibenmagneten (9). Auf der Achse ZOZ' wechselt das Feld von der einen zur anderen Seite eines singulären Punktes A sein Vorzeichen.
Fig. 3 zeigt die Feldverteilung in derselben Umgebung mit einem Zahn, der 1,6 Millimeter vom Magneten (9) entfernt ist. Der singuläre Punkt A' liegt dabei näher am Magneten (9) als im vorhergehenden Zustand.
Die Hall-Sonde ist bevorzugt in dem Bereich zwischen dem singulären Punkt A, welcher der Abwesenheit eines Zahnes entspricht, und dem singulären Punkt A' angeordnet, welcher der Anwesenheit eines Zahnes entspricht. Aus diesem Grund erfasst die Hall-Sonde eine Vorzeichenänderung des Feldes während der Lageänderung des beweglichen Organs bei Auftreten von Zähnen des Zahnrades (1). Die Änderung des durch die Hall-Sonde (10) erfassten Feldes variiert um einen Wert Null aufgrund der Durchbohrung des Magneten (9), die zu einer Feldverteilung führt, bei der die Richtung des erfassten Feldes in Abhängigkeit von der Position des Zahnes ihr Vorzeichen ändert.
Die Fig. 4 zeigt eine Detailansicht der Zähne.
Der von den beiden Zahnflanken eingeschlossene Winkel beträgt etwa 30 Grad. Die Breite der Zahnspitze liegt in der Größenordnung von 1,5 Millimetern, was etwa 30% der Teilung entspricht. Der Teilkreisradius des Rades beträgt 48 Millimeter, der Kopfkreisradius beträgt 50 Millimeter und der Fußkreisradius beträgt 46,55 Millimeter. Das Rad weist 58 oder 59 identische Zähne und einen nicht gezahnten Bereich auf, der sich über einen Kreisbogen erstreckt, der dem Raum entspricht, welcher von einem oder zwei Zähnen eingenommen wird. Diese Lücke bildet eine Positionierungsmarkierung.
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform des Magneten. Die Lösung gemäß dieser Ausführungsform verwendet zwei Magneten (20, 21), die parallel angeordnet sind und parallel zur Achse ZOZ' magnetisiert sind. Die Hall-Sonde (23) ist auf die beiden Magneten (20, 21) aufgeklebt und übergreift dabei eine zwischen den beiden Magneten (20, 21) vorgesehene Lücke (22). Diese Ausführungsform ermöglicht es, eine sehr kleine Lücke zwischen den beiden Magneten herzustellen und folglich den singulären Punkt ausreichend nahe an die Oberfläche dieser Magneten heran zu bringen.
Fig. 6 zeigt eine Ansicht einer dritten Ausführungsform des Magneten. Der Magnet (24) besitzt die Form eines Parallelepipeds auf. Er weist ein Loch (25) mit kreisförmigem Querschnitt auf. Der Magnet (24) weist im übrigen Aufnahmen (26) zum Positionieren der Hall-Sonde oder des diese Sonde umfassenden integrierten Schaltkreises auf. Der Samarium-Kobalt-Magnet mit einem Kunststoffbindemittel ist durch Spritz- oder Druckguss mit einer Einbuchtung hergestellt, was es in wirtschaftlicher Weise ermöglicht, die gewünschte Lochform zu erhalten und einen elektrisch isolierenden Magneten herzustellen. Der Magnet bildet den Träger für den Chip der Hall-Sonde, wobei das Ensemble mit einem Harz eingegossen wird. Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsform.
Der Magnet (9) besteht aus einer Scheibe mit einem Radius R von 4, 5 Millimetern und einer Dicke L von 1,3 Millimetern. Der Magnet ist vom metallischen Typ oder weist ein Kunststoffbindemittel auf, wie Samarium-Kobalt 1/5 (beispielsweise die Magneten, die unter dem Handelsnamen Vacomax 145 oder 65K von der Firma VACUUMSCHMELZE vertrieben werden) oder 2/17 oder Neodym-Eisen-Bor (beispielsweise die Magneten, die unter dem Handelsnamen NEOFER 55/100p von der Firma MAGNETFABRIK BONN vertrieben werden).
Der Magnet weist einen koaxialen zylindrischen Hohlraum mit einem Radius r von 0,5 Millimetern und einer Tiefe p von 0,6 Millimetern auf. Das von dem Hohlraum eingenommene Volumen beträgt etwa 1, 2% des Gesamtvolumens des Magneten (9). Dieser Hohlraum kann entweder durch Einformen oder durch jeglichen Bohr- oder Schleifvorgang hergestellt werden.
Die Hall-Sonde (10) ist auf der zur Mittenebene (28) des Magneten (9) senkrechten Achse OZ in einem Abstand z angeordnet, der gemessen vom Ursprung 0 etwa gleich 0,2 Millimeter ist.
Ein Joch (35) ist auf den Magneten (9) aufgeklebt. Dieses Joch (35) ist von einer zylindrischen Platte aus einem weichmagnetischen Material mit hoher magnetischer Permeabilität gebildet. Das Ensemble aus dem Magneten (9), der Hall-Sonde (10), dem integrierten Schaltkreis und dem Joch (35) ist in einem Epoxidharz eingeschlossen, wobei ein Teil des Jochs herausragt und mit einer Befestigungsöffnung versehen ist.
Fig. 8 zeigt die Kurve Induktion/Abstand bezüglich der mit dem Joch in Kontakt befindlichen Stirnseite des Magneten gemäß der vierten Ausführungsform. Die Kurve (29) zeigt die Variation des Verhältnisses B/Br in Abhängigkeit vom Abstand von der mit dem Joch in Kontakt befindlichen Stirnseite des Magneten eines Magneten aus einem Vollzylinder mit Radius R und Dicke L.
Die Kurve (30) zeigt die Variation des Verhältnisses B/Br in Abhängigkeit vom Abstand von der mit dem Joch in Kontakt befindlichen Stirnseite des Magneten eines virtuellen Magneten aus einem Vollzylinder mit Radius r und Dicke L, der in entgegengesetzter Richtung zum Magneten (9) magnetisiert ist.
Die Kurve (32) zeigt die Variation des Verhältnisses B/Br in Abhängigkeit vom Abstand von der mit dem Joch in Kontakt befindlichen Stirnseite des Magneten eines Magneten aus einem Vollzylinder mit Radius R und Dicke L, der mit einem Loch des Radius r durchbohrt ist, welches sich durch die gesamte Dicke des Magneten erstreckt. Es ist festzustellen, dass sich die Induktion in einem Punkt der Achse OZ aufhebt, der sich in einem Abstand von 1,6 Millimetern von der mit dem Joch in Kontakt befindlichen Stirnseite des Magneten befindet.
Die Kurve (33) zeigt die Variation des Verhältnisses B/Br in Abhängigkeit vom Abstand eines Magneten aus einem Vollzylinder mit Radius R und Dicke L, der einen eingebohrten Hohlraum vom Durchmesser r und einer Tiefe I aufweist. Es ist festzustellen, dass sich die Induktion in einem Punkt der Achse OZ aufhebt, der sich in einem Abstand von 0,5 Millimetern von der mit dem Joch in Kontakt befindlichen Stirnseite des Magneten befindet.
Für die gegebene Variation in Abhängigkeit vom Abstand des Zahnes aus weichmagnetischem Material ist die Modulation von B, die man mit dem gebohrten Magneten erhält, praktisch identisch mit derjenigen, die man mit dem Vollmagneten erhält, da das Volumen des Loches sehr klein ist im Verhältnis zum Volumen des Magneten.
Demgegenüber ist der Mittelwert der Induktion sehr unterschiedlich. Er ist sehr klein bei dem mit einem kleinen Loch versehenen Magneten, ja sogar praktisch Null. Dies ermöglicht es, die Induktion B einfach mit einem integrierten Schaltkreis zu messen, der eine gegenüber schwachen Induktionen in der Größenordnung von 0 bis ± 20mT empfindliche Hall-Sonde umfasst, wie die integrierten Schaltkreise des Typs TLE 4904 und 4905 der Firma SIEMENS, anstelle der kostspieligeren Weise mit zwei voneinander um einige Millimeter beabstandeten Sonden, deren Signaldifferenz man misst.
Bei einem Induktionsmittelwert Null ändert eine Variation der Temperatur oder der Qualität des Magneten oder sogar der Magnetisierung (die Br beeinflussen) nichts am Mittelwert. Nur die Modulationsamplitude ändert sich. Diese Eigenschaft erlaubt große Fertigungstoleranzen, ohne dass es erforderlich ist, auf Differentialsonden zurückzugreifen. Der Mittelwert ist nur durch die Geometrie des Systems bestimmt. Im Fall eines Mittelwerts, der gering aber ungleich Null ist, bleibt der Einfluß einer Variation der Temperatur oder der Magnetqualität vernachlässigbar.
Eine gute Anpassung des Magneten an den der Hall-Sonde zugeordneten integrierten Schaltkreis ist anzustreben, damit der Mittelwert des gemessenen Feldes möglichst nahe an dem Mittelwert des Umschaltfeldes liegt. Zu diesem Zweck liegt eine der Lösungen darin, eine Anpassung des Magneten mit Hilfe eines Laserimpulses entlang der Achse OZ von der Rückseite des Magneten vorzunehmen, wenn der integrierte Schaltkreis und die Sonde in Betrieb sind. So ist es möglich, gute Leistung zu erzielen, ohne auf integrierte Schaltkreise mit Umschaltpunkten innerhalb sehr enger Toleranzen zurückgreifen zu müssen.
Wenn das Joch nicht mit einem kleinen Loch auf der Achse OZ versehen ist, erfolgt das Einstellen durch Verdampfen des weichmagnetischen Materials.
Ist das Joch mit einem kleinen Loch versehen eine Querabmessung aufweist, welche höchsten derjenigen des Hohlraumes entspricht, erfolgt das Einstellen durch Verdampfen einer geringen Menge des Magneten. Diese Lösung ist im Falle einer Blindbohrung zu bevorzugen. Hierfür ist es selbstverständlich erforderlich, daß am Boden des Loches ein Überschuß hinsichtlich der Dicke I des Magneten vorgesehen ist.
Die Erfindung ist im vorangegangenen Beispiel in einer kreisförmigen Konfiguration beschrieben worden. Es versteht sich, daß der Fachmann die Erfindung leicht in eine lineare Ausführungsform umsetzen kann, bei der die Zähne linear angeordnet sind. Ebenfalls kann das mobile Organ als tiefgezogener Kranz ausgebildet sein, der mit rechteckigen Löchern versehen ist.

Claims

1. Inkrementaler Positions- und/oder Geschwindigkeitsgeber des Typs mit einem mobilen Element (1) aus einem weichen Werkstoff, das mindestens einen nach einer Achse OY mobilen Zahn gegenüber einem Dauermagneten (9) aufweist, der nach einer etwa lotrecht zur Achse OY verlaufenden Achse OZ magnetisiert ist, und eine gegenüber der Richtung und der Intensität eines Magnetfeldes empfindliche Sonde, wie beispielsweise eine Hall-Sonde, die im Luftspalt zwischen dem Magneten (9) und dem Zahn des mobilen Elementes angeordnet ist, so dass ihre empfindlichere Achse etwa nach der Achse OZ ausgerichtet ist, wobei der Geber so bemessen ist, dass die Hall- Sonde (10) sich in der Nähe eines bestimmten von der Anwesenheit eines Null-Feldes definierten Punktes der Achse CZ befindet, an einem Punkt, wo der Mittelwert des Magnetfeldes nach OZ während der Verschiebung des mobilen Elementes gering ist, wobei der Geber dadurch gekennzeichnet ist, dass der besagte Wert vorzugsweise kleiner als ± 20 mT und etwa gleich dem Feld ist, das die Umschaltung einer integrierten, der Hall-Sonde zugeordneten Schaltung bewirkt, und dass die Ebene der Hall-Schicht der Hall-Sonde zwischen der über die dem mobilen Element naheste Vorderseite des Magneten verlaufende Ebene und der parallelen, an das mobile Element angrenzenden Ebene angeordnet ist, in einem Abstand zur Vorderebene des Magneten von mindestens der Dicke des Schutzmantels der Hall-Schicht.

2. Inkrementaler Positions-und/oder Geschwindigkeitsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet einen Hohlraum aufweist, der sich in der Nähe der lotrecht zur Verschiebungsachse des mobilen Elementes über die Hall-Sonde (10) verlaufenden Achse befindet.

3. Inkrementaler Positions- und/oder Geschwindigkeitsgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Hohlraum ein kleines Loch ist.

4. Inkrementaler Positions- und/oder Geschwindigkeitsgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet aus einem scheibenförmigen Magneten besteht, der von einem koaxialen zylindrischen Hohlraum durchbohrt oder ausgehöhlt ist.

5. Inkrementaler Positions- und/oder Geschwindigkeitsgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Sonde an einer Ordinate z auf der Achse OZ angeordnet ist, so dass die Induktion

etwa dem Umschaltwert der der Hall-Sonde zugeordneten integrierten elektronischen Schaltung entspricht, wenn der Luftspalt grösser wird, wobei

- Btotal die Induktionskomponente nach OZ ist;

- der Ursprung 0 der Achsen, ab dem der Abstand z gemessen wird, sich an der Seite des Magneten befindet, die dem Zahn am nahesten ist;

- Br die remanente Induktion bezeichnet

- Bvoller-Magent die Induktion eines virtuellen, 30 ungelochten, insbesondere zylindrischen Magneten bezeichnet, dessen Aussenabmessungen den Aussenabmessungen des Dauermagneten entsprechen;

- Bvirtueller-Magent die Induktion eines virtuellen Magneten bezeichnet, dessen Aussenabmessungen den Innenabmessungen des Hohlraumes entsprechen;

- Bverschlussmagnet die Induktion eines virtuellen S Magneten bezeichnet, dessen Querschnitt dem Innenguerschnitt des Hohlraumes entspricht, und dessen Höhe der Differenz zwischen dem reellen Magneten und der Tiefe des Hohlraumes entspricht.

6. Inkrementaler Positions- und/oder Geschwindigkeitsgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Sonde an einer Ordinate z auf der Achse OZ angeordnet ist, so dass die Induktion folgender Formel entspricht:

wobei:

- Bumschaltung den Wert des Umschaltfeldes der Hall-Sonde bezeichnet;

- Br die remanente Induktion bezeichnet;

- 1 die Differenz zwischen der Dicke des Magnets 20 und der Tiefe des Hohlraumes bezeichnet, wobei 1 null beträgt, wenn der Magnet von einem Loch durchquert wird;

- L die Dicke des Magneten bezeichnet, wenn der Magnet einem grossen Poljoch zugeordnet ist, das dann die Rolle eines Magnetspiegels spielt; ist der Magnet keinem Poljoch zugeordnet, beträgt die Dicke des Magnets 2L;

- z die Ordinate der Hall-Sonde bezeichnet, gemessen ab einem an der dem Zahn gegenüberliegenden Seite des Magnets befindlichen Ursprung;

- R den Aussenradius des Magnets bezeichnet;

- r den Radius des Hohlraumes oder des zylindrischen Loches bezeichnet.

7. Inkrementaler Positions- und/oder Geschwindigkeitsgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei quaderförmige, parallele Magneten (21, 23) umfasst, die von einem schmalen Zwischenraum (22) von mindestens 1,8 mm getrennt sind, der zwischen den beiden Magneten (20, 21) vorgesehen und nach der Ebene XOY ausgerichtet ist.

8. Inkrementaler Positions- und/oder Geschwindigkeitsgeber nach einem der vorstehend 10 genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mobile Element ein Zahnrad ist.

9. Inkrementaler Positions- und/oder Geschwindigkeitsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das mobile Element eine Zahnstange ist.

10. Inkrementaler Positions- und/oder Geschwindigkeitsgeber nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (9) ein Scheibenmagnet ist, dessen Verhältnis zwischen Durchmesser und Dicke zwischen 4 und 7 beträgt.

11. Inkrementaler Positions und/oder Geschwindigkeitsgeber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet ein Scheibenmagnet ist, mit einem koaxialen Blindhohlraum, dessen Durchmesser zwischen 0,8 und 1,8 mm, und vorzugsweise zwischen 0,8 und 1,3 mm beträgt.

12. Inkrementaler Positions- und/oder Geschwindigkeitsgeber nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (9) eines Typs mit geringem Temperaturkoeffizienten ist, beispielsweise aus orientiertem Samarium-Kobalt mit Plastikbindemittel.

13. Inkrementaler Positions-und/oder Geschwindigkeitsgeber nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des im Magneten (9) vorgesehenen Hohlraumes kleiner ist als S % des Volumens des Magneten (9).

14. Inkrementaler Positions- und/oder Geschwindigkeitsgeber nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (9), die Hall-Sonde (10), eventuell das Poljoch (35) und die zugeordneten Elektronikschaltungen in einem durch Abformung hergestellten Kunststoffgehäuse integriert sind.

15. Verfahren zur Anpassung des Magneten an die integrierte, der Hall-Sonde zugeordneten Schaltung eines Gebers nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den Magneten mittels eines Laserschusses nach der Achse OZ von der Rückseite des Magneten aus anpasst, wenn die integrierte Schaltung und die Sonde in Betrieb sind.