-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
generell berührungslose
Positionssensoren. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung
die magnetische Konfiguration von berührungslosen Positionssensoren,
die Hall-Effekt-Vorrichtungen verwenden, insbesondere solche die
im automobilen Umfeld verwendet werden.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Elektronische Vorrichtungen sind
ein zunehmend allgegenwärtiger
Teil des täglichen
Lebens. Elektronische Vorrichtungen und Komponenten werden derzeit
in einer großen
Anzahl von Produkten integriert, einschließlich von Produkten die gemeinhin als
in erster Linie von mechanischer Natur angesehen werden, so wie
Automobile. Es ist fast sicher, dass dieser Trend sich fortsetzt.
Um elektronische und mechanische Komponenten erfolgreich miteinander
zu integrieren, ist eine irgendwie geartete Schnittstelle zwischen
den beiden Technologien erforderlich. Generell wird diese Schnittstelle
durch die Verwendung von Vorrichtungen, wie beispielsweise Sensoren
und Aktuatoren realisiert.
-
Positionserfassung wird verwendet,
um elektronisch die Position oder die Bewegung von mechanischen
Komponenten zu überwachen.
Der Positionssensor erzeugt ein elektrisches Signal, das sich verändert, wenn
sich die Position der fraglichen Komponente verändert. Elektrische Positionssensoren sind
ein wichtiges Teil von zahllosen Produkten. So erlauben beispielsweise
Postitionssensoren den Zustand von verschiedenen Automobilteilen
zu überwachen
und elektronisch zu regeln.
-
Ein Positionssensor muss akkurat
in so fern sein, als er ein geeignetes elektrisches Signal basierend
auf der gemessenen Position geben muss. Falls ein Positionssensor
ungenau ist, wird er die genaue Auswertung und Regelung der Position
der überwachten
Komponente verhindern.
-
Ein Positionssensor muss also genügend genau
in seiner Messung sein. Die erforderliche Präzision beim Messen einer Position
wird offensichtlich abhängig
von den speziellen Gebrauchsumständen variieren.
Für einige
Zwecke ist nur eine grobe Anzeige der Position erforderlich, beispielsweise
eine Anzeige ob ein Ventil meistens offen oder meistens geschlossen
ist. Bei anderen Anwendungen können
genauere Anzeigen der Position erforderlich sein.
-
Ein Positionssensor muss auch ausreichend haltbar
für die
Umgebung sein, in der er angeordnet ist. Beispielsweise wird ein
Positionssensor, der an einem Autoventil verwendet wird, fast konstante
Bewegung erfahren, während
das Automobil in Betrieb ist. Ein derartiger Positionssensor muss
aus mechanischen und elektrischen Komponenten aufgebaut sein, die
derart zusammengebaut sind, um ihm zu ermöglichen, ausreichend genau
und präzise
während seiner
Auslegungslebensdauer zu bleiben, trotz beachtlicher mechanischer
Vibrationen und thermischer Extreme und Gradienten.
-
In der Vergangenheit waren Positionssensoren
typischerweise vom Berührungstyp.
Ein Berührungspositionssensor
erfordert physikalischen Kontakt, um ein elektrisches Signal zu
erzeugen. Kontaktpositionssensoren bestehen typischerweise aus Potentiometern,
um elektrische Signale zu erzeugen, die als eine Funktion der Komponentenposition
variieren. Kontaktpositionssensoren sind generell akkurat und präzise. Leider
hat der Verschleiß aufgrund des
Kontakts während
der Bewegung des Kontaktpositionssensors ihre Haltbarkeit begrenzt.
Auch kann die Reibung, die von dem Kontakt resultiert, dazu führen, dass
der Sensor den Betrieb der Komponente beeinflusst. Ferner kann das
Eindringen von Wasser in einen potentiometrischen Sensor den Sensor deaktivieren.
-
Ein wichtiger Fortschritt in der
Sensortechnologie war die Entwicklung von berührungslosen Positionssensoren.
Als eine generelle Aussage erfordert ein berührungsloser Positionssensor
(NPS) keinen physikalischen Kontakt zwischen dem Signalerzeuger
und dem Erfassungselement. Wie hier vorgestellt, verwendet ein NPS
Magnete, um magnetische Felder zu erzeugen, die als eine Funktion
der Position variieren, und Vorrichtungen, um die variierenden magnetischen
Felder zu erfassen, um die Position der zu beobachtenden Komponente
zu messen. Oft wird eine Hall-Effekt-Vorrichtung verwendet, um ein elektrisches
Signal zu erzeugen, das von der Größe und Polarität des magnetischen
Fluxes abhängt,
der an der Vorrichtung einfällt.
Die Hall-Effekt-Vorrichtung kann physikalisch an der zu überwachenden Komponente
befestigt sein und sich relativ zu den stationären Magneten bewegen, wenn
sich die Komponente bewegt. Umgekehrt kann die Hall-Effekt-Vorrichtung
stationär
sein, wobei die Magneten an der zu beobachtenden Komponente befestigt sind.
In jedem Fall kann die Position der zu überwachenden Komponente durch
das elektrische Signal bestimmt werden, das durch die Hall-Effekt-Vorrichtung
erzeugt wird.
-
Die Verwendung einer NPS stellt verschiedene
klare Vorteile über
die Verwendung von Berührungspositionssensoren
dar. Weil ein NPS keine physikalische Berührung zwischen dem Signalerzeuger und
dem Erfassungselement erfordert, gibt es hier geringeren physikalischen
Verschleiß während des Betriebs,
was in einer größeren Haltbarkeit
des Sensors resultiert. Die Verwendung einer NPS ist auch vorteilhaft,
weil das Ermangeln von physikalischer Berührung zwischen denen zu überwachenden
Gegenständen
und dem Sensor selbst in einem geringeren Zug an der Komponente
durch den Sensor resultiert. Während
die Verwendung einer NPS verschiedene Vorteile darstellt, gibt es auch
verschiedene Nachteile, die überwunden
werden müssen,
damit ein NPS ein befriedigender Positionssensor für viele Anwendungen
ist. Magnetische Irregularitäten
oder Fehler können
die Präzision
und die Genauigkeit von einer NPS kompromittieren. Die Genauigkeit
und Präzision
einer NPS kann auch durch die zahlreichen mechanischen Vibrationen
und Störungen,
die wahrscheinlich von dem Sensor erfahren werden, beeinflußt werden.
Weil kein physikalischer Kontakt zwischen dem zu überwachenden
Objekt und dem Sensor besteht, ist es für sie möglich durch derartige Vibrationen
und Störungen
aus der Fluchtung gestoßen
zu werden. Ein Nichtfluchten wird bei dem gemessenen magnetischen
Feld an irgendeiner speziellen Stelle dazu führen, dass es nicht das ist,
was es bei dem ursprünglichen
Fluchten gewesen wäre. Weil
das gemessene Magnetfeld von dem verschieden ist, was bei korrektem
Fluchten gemessen worden wäre,
wird die davon abgeleitete Position ungenau. Die Liniarität der magnetischen
Feldstärke
und des daraus resultierenden Signals ist auch eine Sorge.
-
Einige dieser Herausforderungen bei
der Verwendung eines NPS wurden in existierenden Vorrichtungen angesprochen,
insbesondere in der Vorrichtung des US-Patents Nr. 5, 712, 561 oder
Nummer 5, 757, 179, erteilt für
Mc Curley et Al. und an die CTS Corporation übertragen. Es besteht jedoch
ein kontinuierlicher Bedarf für
eine genauere Bestimmung des physikalischen Ortes eines Teils, basierend
auf dem gemessenen Magnetfeld an einem Ort. Genauer wird ein neuer
Typ eines berührungslosen Positionssensors
benötigt,
der minimale Abweichungen auf Grund von Änderungen in der Temperatur und
maximale Liniarität
des Magnetfelds anzeigt.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung
weist ein Sensor zum Erfassen der Bewegung eines anbringbaren Objekts
erste und zweite Magnete auf, die voneinander beabstandet sind,
um einen Luftspalt dazwischen zu definieren, und einen magnetischen Flux-
Sensor, der in dem Luftspalt montiert ist, dadurch gekennzeichnet,
dass jeder Magnet einen zentralen Abschnitt aufweist, der dünner ist
als die gegenüberliegenden
Enden, wobei der Luftspalt im Zentrum größer ist als an den Enden. Die
Magnete haben die gleiche erste magnetische Poliarität auf einer
Seite des zentralen Abschnitts und die gleiche zweite, im wesentlichen
entgegengesetzte, magnetische Poliarität auf der Seite des zentralen
Abschnitts.
-
Die vorliegende Erfindung vermeidet
die Beschränkungen
des Standes der Technik und erlaubt so größere Genauigkeit und Präzision bei
einem berührungslosen
Positionssensors. Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung
verringerte Abweichungen bei Temperatur und vergrößerte Linearität gegenüber vorbekannten
berührungslosen
Positionssensoren. Diese Vorteile werden durch Verwendung einer
Anordnung von bipolaren abgeschrägten Magneten
erzielt, um einen berührungslosen
Positionssensor mit vergrößerter magnetischer
Verstärkung
und verringerter Variation aufgrund von Temperaturänderungen
zu erzeugen. Ein berührungsloser Positionssensor
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zeigt verbesserte Linearität bei der Antwort,
während
er kostengünstig
und relativ einfach herzustellen ist.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnung
-
1 stellt
einen Abschnitt des Standes der Technik in einer Draufsicht dar;
-
2 stellt
den Stand der Technik in einem Querschnitt dar;
-
3 stellt
eine Explosionsansicht eines Magnetaufbaus und von Polstücken in Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar;
-
4 stellt
eine Vorderansicht des Magnetaufbaus aus 3 dar;
-
5 stellt
eine Schnittansicht eines linearen Positionssensordesigns dar und
stellt ferner schematisch den Betrieb eines drehend betriebenen Positionssensors
dar;
-
6 stellt
die magnetische Fluxdichte bei der vorliegenden Erfindung als eine
Funktion der Komponenten Position dar.
-
Es ist anzumerken, dass die Zeichnungen der
Erfindung nicht maßstabgetreu
sind. Die Zeichnungen sind lediglich schematische Abbildungen, bei denen
nicht beabsichtigt ist, spezifische Parameter der Erfindung zu zeigen.
Die Zeichnungen beschreiben lediglich typische Ausführungsformen
der Erfindung und sollten daher nicht als Einschränkung des Schutzumfangs
der Erfindung angesehen werden. Die Erfindung wird mit zusätzlicher
Genauigkeit und zusätzlichen
Details durch die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
-
Beschreibung
der dargestellten Ausführungsform
-
1 und 2 stellen ein Beispiel einer
geeigneten Anwendung des berührungslosen
Positionssensors vom Stand der Technik dar, wie er in Patentnummer
5, 712, 516 aufzufinden ist. Der NPS der Ausführungsform ist im wesentlichen
für die Überwachung
der Rotationsposition einer Komponente, wie beispielsweise einer
Ventilklappe angepasst. 2 zeigt
einen Schnitt der NPS aus 1,
entlang der Linie 2-2. Es sollte berücksichtigt werden, dass die
in 1 und 2 gezeigte Anordnung nur eine von vielen möglichen
Ausführungsformen
innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung darstellt.
So sind beispielsweise andere Ausführungsformen der Erfindung
im Zusammenhang mit den nachfolgenden Figuren be schrieben. Ein NPS 100 weist
ein Gehäuse 130 und
ein magnetischen Aufbau 110 auf. Der magnetische Aufbau 110 weist
einen magnetisch permeablen Polschuh 111 und abgeschrägte Magnete 112 und 113 auf.
Zwei zusätzliche
abgeschrägte Magnete
sind in den folgenden Figuren gezeigt. Der Polschuh 111 wird
von einer Basis 121 getragen. Der Polschuh 111 ist
an die Magnete 112 und 113 geklebt, so dass ein
Luftspalt 116 dazwischen ausgebildet und durch die Magnete
begrenzt ist. Wie genauer weiter unten beschrieben werden soll,
erzeugen die Magnete ein Magnetfeld, das in einer im wesentlichen
linearen Weise variiert. Der Polschuh 111 ist vorzugsweise
aus Blechen von magnetisch permeablem Material, wie beispielsweise
rostfreiem Stahl, gebildet. Wie in 1 und 2 dargestellt, erfasst der Sensor 100 Drehbewegung über einer
Achse 120. Die Wellenmanschette 121 ist so ausgelegt,
um an einer Welle, die sich von der Komponente (nicht gezeigt) erstreckt,
deren Position überwacht
werden soll, anzugreifen. Die Basis oder Wellenmanschette 121 dreht
sich daher wie die Welle und die Komponente sich drehen. Der Polschuh 111 ist
fest an der Rotormanschette 121 befestigt und dreht sich
genauso. Die Rotormanschette 121 kann durch Verwendung
des Gehäuses 130 der
Feder 135 und der Abdeckung 131 in Position zurückgehalten
werden. Der Polschuh 111 ist grob ein Abschnitt eines Kreises,
der über
der Achse 120 rotiert. Die Rotation des Polschuhs 111 bewegt
auch die Magnete. In dem Luftspalt 116, der zwischen den
Magneten 112 und 113 ausgebildet ist, ist ein
magnetischer Flux-/Sensor, wie beispielsweise eine Hall-Effekt-Vorrichtung 175.
Die Hall-Effekt-Vorrichtung 175 wird auf einem Hybrid-Leitersubstrat 150 getragen.
Die Hall-Effekt-Vorrichtung 175 sollte vorzugsweise in
Richtung des Zentrums des Luftspalts 116 positioniert werden, um
irgendwelche Kantenirregularitäten
bei dem Magnetfeld, welche durch die Magnete 112 und 113 erzeugt
werden, zu verhindern. Die Hall-Effekt-Vorrichtung 175 und
das Hybrid-Leitersubstrat 150 sind stationär, während der
Magnet über
der Achse 120 rotiert. Das Hybrid-Leitersubstrat
150 kann
an dem Gehäuse 130 mittels
Heißnieten
oder ähnlicher
Verfahren befestigt sein. Das Leitersubstrat 150 trägt ferner Schaltungen
innerhalb eines Bodens 154. Der Boden 154 kann
als ein Behälter
für die
Materialien dienen, die erforderlich sind, um die Schaltung zu schützen. Das
Leitersubstrat 150 ist elektrisch mit elektrischen Anschlüssen 141 über Kabeln 155 verbunden.
Die elektrischen Anschlüsse 141 sind
in einem Verbinder 140 angeordnet, der eine Verbindung
mit einem standartd Kupplungsverbinder erlaubt. Da das magnetische
Feld, das durch die Magnete 112 erzeugt und von der Hall-Effekt-Vorrichtung erfasst
wird, mit der Rotation variiert, ändert sich das durch die Hall-Effekt-Vorrichtung 175 erzeugte
Signal dementsprechend, wodurch es möglich wird, sich der Position der
zu überwachenden
Komponente zu vergewissern.
-
3 und 4 stellen den magnetischen
Aufbau 300 und Polschuhe dar. Eine erste Platte 301 ist auf
der Oberseite des magnetischen Aufbaus befestigt. Eine zweite Platte 302 ist
an der Unterseite des magnetischen Aufbaus 300 befestigt.
Die Platten 301 und 302 definieren Polschuhe.
Sie sind vorzugsweise magnetisch permeabel und können an die jeweiligen Magnetabschnitte
spritzgegossen sein. In Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform weist
der magnetische Aufbau 300 vier abgeschrägte Magnetregionen
oder Abschnitte 321, 322,323 und 324 und
einen magnetischen Abstandhalter 320 auf.
-
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform
werden die vier abgeschrägten
Magnetregionen 321, 322, 323 und 324 alle
aus geklebtem Eisen oder anderem magnetischen Material gebildet.
-
Alternative können die 4 abgeschrägten magnetischen
Abschnitte 321, 322, 323 und 324 als zwei
separate Magnete aufgebaut sein, wobei jeder zwei Abschnitte aufweist.
Bei dieser Alternative können
die Magnetabschnitte 321 und 323 Abschnitte aus einem
Magneten aufweisen, während
Magnetabschnitte 323 und 324 Abschnitte von anderen
Magneten aufweisen können.
Der Abstandhalter 323 kann weggelassen werden, in welchem
Falle es ratsam sein kann, einen Verbindungsabschnitt oder einen Rückhaltegurt
als Teil des Polschuhs vorzusehen, um die erste Platte 301 und
die zweite Platte 302 fest zu verbinden. Falls der magnetische
Abstandhalter 320 verwendet wird, werden die erste Platte 301 und die
zweite Platte 302 aus strukturellen Gründen nicht nötig und
können
weggelassen werden, obwohl die Platten 301 und 302 dazu
dienen, den magnetischen Flux, der durch die vier abgeschrägten Magnetregionen 321, 322, 323 und 324 erzeugt
wird, zu verstärken,
und sollten daher generell verwendet werden. Der magnetische Aufbau 300 kann
optional auch gerade Kanten 330 aufweisen. Diese geraden
Kanten 330 erleichtern das Handhaben des Magnetaufbaus 300 während der
Herstellung und der Verarbeitung. Die vier abgeschrägten Magnete 321, 322, 323 und 324 sind
derart magnetisiert, dass die abgeschrägten Magnete 321, 322, 323 und 324 Polaritäten aufnehmen.
-
5 stellt
eine Querschnittsansicht eines linearen Positionssensordesigns dar
und stellt auch schematisch den Betrieb eines rotationsbetriebenen Sensors
dar. Die Polschuhe weisen eine erste Platte 301 und eine
zweite Platte 302 auf. Die erste Platte 301 hat
ein erstes Ende 551 und ein zweites Ende 552 und
ein Mittelteil 553. Die zweite Platte 302 weist genauso
ein erstes Ende 561, ein zweites Ende 562 und
eine Mitte 563 auf. Es soll außerdem angenommen werden, dass
die erste Platte 301 und die zweite Platte 302 jede
Form haben können
und die Bezeichnung "Enden" aus Darstellungsgründen verwendet wird, nicht
jedoch um den Schutzumfang möglicher Konfigurationen
innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung einzuschränken.
-
Die erste magnetische Region 321 hat
ein dünnes
Ende 521 und ein dickes Ende 531. Die erste magnetische
Region ist an der ersten Platte 301 befestigt, so dass
das dünne
Ende 521 in der Nähe
der Mitte 553 der ersten Platte 301 ist, während das
dicke Ende 531 in der Nähe
des ersten Ende 551 der ersten Platte 301 ist.
Der erste Magnet 501 erzeugt ein Feld variierenden magnetischen
Fluxes, wie durch die Vektoren 600 in 5 dargestellt. Die Polarität des magnetischen
Feldes, das durch die erste Magnetregion 321 erzeugt wird,
ist durch die aufwärts Richtung
des Vektors 600 dargestellt. Die Polarität des magnetischen
Feldes, das durch den ersten Magneten 501 erzeugt wird,
ist als die erste Polarität
bezeichnet und als positiv definiert. Genauso ist die Stärke des
Feldes des magnetischen Fluxes durch die Länge des Vektors angedeutet.
Wie in 5 zu sehen, verringert
sich das Feld magnetischen Fluxes, das durch die erste Magnetregion 321 erzeugt wird,
in seiner Stärke
von dem dicken Ende 531 zu dem dünnen Ende 521. Die
Magnetregionen 322, 323 und 324 sind ähnlich ausgelegt,
wie dargestellt. Die dritte Magnetregion 323 und die erste
Magnetregion 321 können
als linear oder symmetrisch benachbart oder einfach benachbart beschrieben
werden. Genauso können
die zweite Magnetregion 322 und die vierte Magnetregion
als linear oder symmetrisch benachbart oder einfach benachbart beschrieben werden.
-
Bei einer anderen Ausführungsform
kann ein erster Magnetspalt 581 das dünne Ende 521 der ersten
Magnetregion 321 von dem dünnen Ende 523 des
dritten Magnetabschnitts 323 trennen. Ein zweiter Magnetspalt 582 trennt
das dünne
Ende 522 des zweiten Magnetabschnitts 322 von
dem dünnen Ende 524 des
vierten Magnetabschnitts 524. Während die Magnetspalten 581 und 582 weggelassen werden
können
ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen,
dienen sie wichtigen Funktionen. Die Magnetspalten 581 und 582 vergrößern die
Linearität
des Magnetfelds in dem Luftspalt 516. Als praktische Tatsache
wird das dünne
Ende eines Magneten immer eine finite Dicke haben und ein Magnetfeld
erzeugen, das nicht Null ist. Falls die dünnen Enden von zwei Magneten
mit entgegengesetzter Polarität
unmittelbar benachbart sind, wird eine Diskontinuität des kombinierten
Magnetfelds über
dem Symmetriepunkt 543 auftreten. Durch Vorsehen eines
Spalts zwischen den benachbarten dünnen Enden des abgeschrägten Magnets, können diese
Diskontinuitäten
und andere Probleme, die die Liniarität der Sensorausgabe beeinflussen, wie
in 6 definiert, vermieden
werden.
-
Ferner ermöglichen die Spalte 581 und 582 eine
konsistente neutrale Zone, bei etwa Punkt 543, unabhängig von
den Variationen der Magnetisierungseigenschaften, was der Liniarität der Sensorausgabe
hilft. Die magnetischen Spalten 581 und 582 können während des
Gießens
des Magnets erzeugt werden. Falls die Magnete einzeln geformt werden, können die
Spalten 581 und 582 durch geeignetes Positionieren
individueller Magneten gebildet werden. Alternativ kann magnetisches
Material entfernt werden, um die Spalten zu erzeugen, nachdem die Magnete
gebildet worden sind.
-
Der Luftspalt 516 ist zwischen
den Magnetregionen 321, 322, 323 und 324 gebildet.
Wie in 5 gezeigt, ist
der Luftspalt 516 im wesentlichen rautenförmig, wobei
der Zentralabschnitt des Luftspalts 517 größer ist,
als beide Enden 518 des Luftspalts 516. Ein magnetischer
Flux- Sensor, wie beispielsweise eine Hall-Effekt-Vorrichtung 575,
sind in dem Luftspalt 516 angeordnet. Die Relativbewegung
zwischen der Hall-Effekt-Vorrichtung 575 und dem magnetischen
Aufbau bewirkt, dass sich die Position der Hall-Effekt-Vorrichtung 575 in
dem Luftspalt entlang der Linie 540 ändert. Das Magnetfeld in dem
Luftspalt 560 ist die Summe der Magnetfelder, die durch
die erste Magnetregion 326, die zweite Magnetregion 322,
den dritten Magnet 323 und die vierte Magnetregion 324 erzeugt
wird. Die Polarität,
und Stärke
des kombinierten Magnetfelds variiert entlang der Linie 540.
Da ein Magnetfeld der ersten Polarität wie beispielsweise das durch
die erste Magnetregion 321 und die zweite Magnetregion 323 erzeugte,
als positiv definiert ist und ein Magnetfeld der zweiten Polarität, wie beispielsweise
das durch die dritte Magnetregion 323 und die vierte Magnetregion 324 erzeugte, als
negativ definiert ist, wird das Magnetfeld, das durch die Hall-Effekt-Vorrichtung 575 erfasst
wird, wenn sich diese entlang der Linie 540 bewegt, groß und positiv
am ersten Ende 541 des Luftspalts sein und im wesentlichen
linear abnehmen, wenn es sich der Mitte 543 des Luftspalts
annähert,
zu welchem Punkt das Magnetfeld im wesentlichen Null sein wird. Wenn
die Hall-Effekt-Vorrichtung 575 entlang der Linie 540 von
der Mitte 543 zu dem zweiten Ende 542 des Luftspalts 516 wandert,
wird die Polarität
des erfassten Magnetfelds negativ, aber von einer im wesentlichen
linear zunehmenden Größe.
-
Diese Varianz der magnetischen Feldpolarität und Stärke als
eine Funktion einer linearen Position wird in 6 dargestellt. 6 ist ein Diagramm, in dem die X-Achse
die Position der Hall-Effekt-Vorrichtung 575 entlang der
Linie 540 und die Y-Achse die magnetische Fluxdichte, wie
sie durch die Hall-Effekt-Vorrichtung 575 erfasst wird,
darstellt. Wie gezeigt, ist die magnetische Fluxdichte, die durch
die Hall-Effekt-Vorrichtung 575 in
Position 541 gemessen wird, hoch und positiv. Die magnetische
Fluxdichte die an Position 542 gemessen wird, ist von ungefähr der gleichen
Größe wie an
Position 541, aber von entgegengesetzter Polarität und als
negativ in 6 dargestellt.
Die gemessene magnetische Fluxdichte ist im wesentlichen linear
zwischen Position 541 und Position 542, wobei
der Punkt von im wesentlichen magnetischer Fluxdichte Null an einer
Position 543 lokalisiert ist, dem Mittelpunkt zwischen 541 und
dem Symmetriepunkt auf der X-Achse. Die Verwendung von vier Magnetregionen
in der vorliegenden Erfindung erlaubt Stärkeerzeugung von relativ starken
magnetischen Feldern und dementsprechend verstärkte Linearität des Magnetfelds
in dem Luftspalt 516. Das Signal, das durch die Hall-Effekt-Vorrichtung 575 erzeugt
wird, ist proportional zu der magnetischen Fluxdichte, die sie in
dem Luftspalt 516 misst. Dementsprechend führt die
vergrößerte Linearität eines
Magnetfelds in dem Luftspalt 516 zu einer verstärkten Linearität des Ausgangsignals
der Hall-Effekt-Vorrichtung 575 und vergrößert die
Genauigkeit der Präzession
der Positionsanzeige.
-
In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung ist ein berührungsloser
Positionssensor mit einer vergrößerten Linearität des Magnetfelds
und des resultierenden Signals als auch verringerter Signalvarianz
aufgrund Temperaturänderungen
vorgesehen. Dies ermöglicht
die lineare Ausgabe der Magnetregionen zwischen Punkten 541 und 542, 543 sich
im wesentlichen um Null-Gauss zu drehen. Die Empfindlichkeit der
Felderfassungsvorrichtung dreht sich auch um den Null-Gauss Punkt.
Dies Verbessert die Fähigkeit
des Sensors, Temperaturänderungen durch
Eliminierung vorher benötigter
Schaltungen und zusätzlicher
Verarbeitungskomplexitäten
zu kompensieren. Unter einem breiteren Aspekt kann die Erfindung
als eine Magnetschaltung angesehen werden, die 1.) vier abgeschrägte Magnetregionen aufweist,
die ein Magnetfeld erzeugen, 2.) ein Luftspalt und Polschuhe aufweist,
die durch das Magnetfeld durchdrungen werden, und 3.) einen magnetischen
Fluxsensor aufweist, der eine Spannung erzeugt, die proportional
zu dem Magnetfeld an seinem Ort ist. Ein berührungsloser Positionssensor
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung kann an der zu überwachenden Komponente in
jeder geeigneten Weise befestigt werden.
-
Es ist anzumerken, dass zahlreiche
Variationen der hier beschriebenen Beispielausführungsform erstellt werden
können,
ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Eine Mögliche alternative
Ausführungsform
würde zwei
der Magnetregionen weglassen. Beispielsweise Magnetregionen 321 und 323 wür den an
der Platte 301 befestigt, aber Magnetregion 323 und 324 würden nicht
mit eingeschlossen werden. Der resultierende Luftspalt 516 würde einen zentralen
Abschnitt größer als
die Enden haben. Diese "Halbseitige" Ausführungsform würde einen
Sensor mit kleinerer Größe ermöglichen,
der weniger Material zur Herstellung benötigt.
-
Es wird angemerkt, dass eine große Vielzahl von
Materialien verwendet werden können
um die Magnetregionen und die Pol-schuhe zu erzeugen. Der Abstandhalter
kann in dem Magnetaufbau enthalten sein oder weggelassen sein. Genauso
kann er, falls Polschuhe verwendet werden, optional einen Rückhaltegurt
beinhalten oder andere Verbindungsabschnitte, um die erste und die
zweite Platte zu verbinden. Die Magnete selbst können einzelne Magnete sein
oder magnetische Abschnitte von größeren Magneten. Die Magnetspalten
zwischen den dünnen Enden
von benachbarten Magneten oder magnetischen Regionen können auf
irgendeine von vielen möglichen
Varianten ausgebildet sein, oder alle zusammen weggelassen werden.
Der Magnetaufbau kann im wesentlichen kuchenförmig, kreisförmig, linear
oder irgendeiner Form ausgebildet sein. Beispielsweise kann der
Magnetaufbau im wesentlichen rechteckig sein, wenn die Erfindung
verwendet wird, um eine Komponente zu überwachen, die sich lateral oder
linear im Gegensatz zu einer Rotation bewegt. Während der Magnetaufbau vorzugsweise
einen magnetisch permeablen Polschuh aufweist, ist ein Polschuh
nicht erforderlich. Die genaue Art der Vorrichtung, an der der Positionssensor
befestigt werden soll, ist unwesentlich für die vorliegende Erfindung. Genauso
ist der spezielle Typ und die Variation des magnetischen Fluxsensors,
der in Verbindung mit einem berührungslosen
Positionssensor in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird unwesentlich. Eine
Vielzahl von Mechanismen können
verwendet werden, um den Magnetaufbau mit der Komponente, die überwacht
werden soll, zusätzlich
zu der Rotormanschette zu verbinden.
-
Alternativ könnte die Hall-Effekt-Vorrichtung mit
der Komponente, die überwacht
werden soll, verbunden werden, wobei der Magnetaufbau im wesentlichen
stationär
bleibt. Die elektrischen Verbindungen und die Verfahren zum Herstellen
derselben können von
denjenigen, die in Übereinstimmung
mit den bevorzugten Ausführungsform
gezeigt wurden, abweichen. Der Fachmann kann genauso leicht zahlreiche andere
Variationen herstellen, die leicht erzeugt werden können, ohne
von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.