WO2008071018A1

WO2008071018A1 - Magnetischer positionssensor

Info

Publication number: WO2008071018A1
Application number: PCT/CH2007/000586
Authority: WO
Inventors: Andreas Imhof; Josua Lanter
Original assignee: Polycontact Ag
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2008-06-19
Also published as: US20100148762A1; DE112007002717A5; WO2008071018A8

Abstract

Es ist ein magnetischer Positionssensor zur Erfassung der Lage eines entlang einer vorgegebenen Bahn verstellbaren Bauteils beschrieben. Der magnetische Positionssensor weist eine entlang der Stellbahn angeordnete Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, dessen Polarität (J) sich entlang der Stellbahn des Bauteils verändert, und wenigstens einen im Wirkungsbereich des Magnetfelds angeordneten galvanomagnetischen Detektor (5), der relativ zum Magnetfeld entlang der Stellbahn des Bauteils verstellbar ist, auf. Der galvanomagnetische Detektor (5) ist zur vektoriellen Auswertung des Magnetfelds ausgebildet.

Description

Magnetischer Positionssensor

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Positionssensor zur Erfassung der Lage eines entlang einer vorgegebenen Bahn verstellbaren Bauteils gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In zunehmendem Masse erobern elektronische Komponenten Bereiche, die bislang vorwiegend dem mechanischen Gebiet zugerechnet wurden. Dies betrifft insbesondere auch die Automobilindustrie, welche ihre Produkte, dem allgemeinen Trend entsprechend, mit Elektronik ausstattet, um mechanische Funktionen elektronisch zu erfassen, zu steuern, zu regeln und/ oder dem Anwender Informationen mitzuteilen. Zur Umsetzung der mechanischen Funktionen eines Bauteils in elektronisch verarbeitbare Signale und umgekehrt dienen Sensoranordnungen und Aktuatoren als Verbindungsglieder zwischen den beiden Welten.

Positionssensoren werden vielfach eingesetzt, um die Lage oder den Bewegungszustand eines mechanischen Bauteils zu erfassen. Die vom Positionssensor erfassten Informationen werden üblicherweise in elektrische Signale umgeformt, die sich in Abhängigkeit von der Positionsänderung des Bauteils verändern. Positionssensoren sind bei vielen mechanischen Produkten ein wichtiger Bestandteil, der erst eine intelligente Steuerung ermöglicht.

Die Erfassung einer entlang einer vorgegebenen Bahn zurückgelegten Wegstrecke eines Bauteils ist beispielsweise beim Ablängen von Materialien von Interesse. Die dafür eingesetzten analogen translatorischen Positionssensoren arbeiten vielfach nach dem Ohm- schen oder dem Induktionsprinzip. Bei beiden Prinzipen wird die analoge (kontinuierliche) Umsetzung eines Verfahrweges in ein elektrisches Signal ausgenutzt. Bei Positionssensoren nach dem ohmschen Messprinzip wird über einen Schleifer von einem Wider- standsdraht die elektrische Spannung abgegriffen, deren Grosse von der Drahtlänge abhängt. Derartige Potentiometer haben den Nachteil, dass der Schleifer und der Draht einem relativ grossen Verschleiss unterworfen sind. Beim Induktionsprinzip wird im Messsystem über eine Wechselspannung ein Magnetfeld induziert, welches in einer Spule eine elektrische Spannung erzeugt. Die Spule wird relativ zum übrigen Messsystem bewegt. Die in der Spule induzierte Spannung hängt von ihrer Position im Messsystem ab. Mit Hilfe geeigneter elektronischer Schaltungen kann daraus ein Positionsmesssignal gewonnen werden. Das Messverfahren ist zwar berührungslos; jedoch wird eine Wechselspannungsquelle benötigt und ist ein relativ grosser elektronischer Aufwand erforderlich, um ein Positionsmesssignal zu erzeugen.

Andere bekannte Wegmesssysteme benutzen beispielsweise Magnetbänder, deren Magnetfeld von einem Lesekopf abgegriffen und in ein Positions- bzw. Wegmesssignal umgeformt wird. Beim Seillängenaufnehmer wird entsprechend dem Verfahrweg ein Seil auf eine Trommel gewickelt oder über eine Rolle geführt. Die Umdrehungen werden erf asst und daraus ein Wegmesssignal erzeugt. Beim magnetostriktiven Prinzip ändert ein verschieblicher Magnet seine Schallreflexionseigenschaften. Über eine Ultraschall-Laufzeitmessung wird in Verbindung mit einer relativ aufwendigen Auswerteelektronik der Ort des Magneten und damit der Verschiebeweg festgestellt. Aus der US-6,753,680 B2 ist ein Positionssensor bekannt, der zwei im Abstand voneinander, parallel zueinander verlaufende Flussleitschienen und Permanentmagneten umf asst, die an den Enden der Flussleit- schienen angeordnet sind. Im Spalt zwischen den Flussleitschienen ist ein Hallsensor angeordnet, der relativ zur Längserstreckung der Flussleitschienen verschiebbar ist. Das am Ausgang des Hallsensors anliegende Ausgangssignal, dass sich in Folge der Relativver- Schiebung verändert, wird weiterverarbeitet und als Mass für die zurückgelegte Wegstrecke des überwachten Bauteils herangezogen. Nachteilig an diesen bekannten Systemen ist, dass sie üblicherweise inkremental arbeiten, d.h., dass eine Information über die Absolutposition des bewegten Bauteils nur dann zur Verfügung steht, wenn vor der Messung eine Nullpunktposition, entsprechend einem Grundausgangssignal des Sensors, festgelegt wird. Wird beispielsweise im Fall einer Sitzverstellung zunächst der Sitz verstellt, bevor der Motor und damit die Autoelektrik und -elektronik in Gang gesetzt wird, ist es mit den bekannten Positionssensoren praktisch unmöglich, die exakte Position des Sitzes zu bestimmen. Zudem weisen die bekannten magnetischen Positionssensoren eine grosse Abhängigkeit von der Amplitude des detektierten Magnetfelds auf. Dies bedingt, dass beispielsweise der Hallsensor sehr genau in Bezug auf die Flussleitschienen justiert sein muss. Ungenauigkeiten in der Justierung oder erschütterungsbedingte Verstellungen wirken sich unmittelbar negativ auf die Messergebnisse aus. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen magnetischen Positionssensor zu schaffen, der es ermöglicht, einfach und ohne grossen elektronischen Aufwand einen entlang einer vorgegebenen Bahn zurückgelegten Verfahrweg zu erfassen und die Absolutposition des verschiebbaren Bauteils festzustellen. Der magnetische Positionssensor soll nicht unbedingt zwangsgeführt werden müssen. Die Anforderungen an die Justiergenauigkeit sollen verringert sein und der Positionssensor weitgehend unempfindlich gegenüber Erschütterungen sein. Der Positionssensor soll verschleissfrei arbeiten und einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweisen.

Die Lösung dieser Aufgaben besteht in einem magnetischen Positionssensor, der die im. kennzeichnenden Abschnitt des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale aufweist. Weiterbildungen und/ oder vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Durch die Erfindung wird ein. magnetischer Positionssensor zur Erfassung der Lage eines enüdng einer vorgegebenen Bahn verstellbaren Bauteils geschaffen. Der magnetische Positionssensor weist eine entlang der Stellbahn angeordnete Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, dessen Polarität sich entlang der Stellbahn des Bauteils verändert, und wenigstens einen im Wirkungsbereich des Magnetfelds angeordneten galvanomagneti- sehen Detektor mit, der relativ zum Magnetfeld entlang der Stellbahn des Bauteils verstellbar ist und wenigstens zwei Messfelder besitzt, auf. Der galvanomagnetische Detektor ist zur vektoriellen Auswertung des Magnetfelds ausgebildet.

Die Bezeichnung galvanomagnetischer Detektor wird als Sammelbegriff für Detektoren verwendet, deren Funktion auf verschiedenen gavanomagnetischen Effekten beruht, die in einem von elektrischem Strom durchflossenen Leiter oder Halbleiter im Zusammenwirken mit einem Magnetfeld entstehen. Die Effekte können longitudinaler oder transversaler Natur sein. Insbesondere werden unter dem Begriff Hall-Sensoren und Feldplatten, aber auch magnetoresistive Detektoren verstanden, welche letzeren auf dem Prinzip ma- gnetisch verursachter Wideistandseff ekte in stromdurchflossenen ferromagnetischen Leitern beruhen. Der erfindungsgemässe magnetische Positionssensor beruht auf einem galvanomagnetischen Detektor, der zur vektoriellen Auswertung des Magnetfelds, welches über seine Längserstreckung seine Polarität verändert, ausgebildet ist. Es wird somit unmittelbar der Winkel des Vektors des Magnetfelds erfasst und ausgewertet. Wegen seiner Amplituden- Unabhängigkeit sind die Anforderungen an die Justiergenauigkeit des Positionssensors deutlich reduziert. Es genügt, dass der galvanomagnetische Detektor im generellen Wirkungsbereich des Magnetfelds angeordnet ist, in dem seine Fähigkeit, Richtungsänderungen des Magnetfelds zu detektieren, gewährleistet ist. Dies erlaubt in Abhängigkeit von den sinnvollerweise eingesetzten Magnetfeldstärken Justiertoleranzen bis in den Zenti- meterbereich. Auf eine Zwangsführung des galvanomagnetischen Detektors im Magnetfeld kann daher verzichtet werden. Wegen der grossen Justiertoleranzen ist der magnetische Positionssensor auch weitgehend unempfindlich gegenüber Erschütterungen. Das Messprinzip ist berührungslos. Wegen des Verzichts auf eine Zwangsführung ist auch der mechanische Verschleiss des magnetischen Positionssensors verringert. Dies begünstigt seinen Einsatz beispielsweise im Automobilbau. Indem das Magnetfeld vektoriell erfasst wird, d.h. der Winkel des Magnetfeldvektors erfassbar ist, ist für die Lagefeststellung des entlang der Bahn verstellbaren Bauteils keine inkrementale Messung mit Nullpuriktf esüe- gung erforderlich. Die absolute Position des Bauteils ist allein aus der Richtung des Magnetfelds ermittelbar. Der erfindungsgemäss ausgebildete magnetische Positionssensor kommt ohne Flussleitschienen für das Magnetfeld und ohne Zwangsführung aus. Dadurch ist er gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten magnetischen Sensoren deutlich einfacher und kostengünstiger aufgebaut.

kι einer vorteilhaften Ausführungsvariante des magnetischen Positionssensors umf asst der galvanomagnetische Detektor vier Messfeldeϊ, die in Kreuzform angeordnet sind.

Jeweils zwei einander auf einem Kreuzbalken gegenüberliegende Messfelder sind miteinander gekoppelt. Dabei ist durch die Anordnung des Positionssensors sichergestellt, dass alle Messfelder im wesentlichen senkrecht von den Feldlinien des Magnetfelds durchdrungen werden. Die Anordnung gekoppelter Messfelder erlaubt einen höheren Si- gnal/ Rauschen Abstand. Die gekreuzten Messfelder erlauben unmittelbar die Auswertung des Winkels des Vektors des Magnetfelds über den Arcustangens und daraus über einen praktisch linearen Zusammenhang die Ermittlung der Position des beobachteten Bauteils. Die Messfelder sind mit Vorteil als Feldplatten ausgebildet. Eine sehr vorteilhafte Ausführungsvariante des magnetischen Positionssensors sieht vor, der galvanomagnetischε Detektor ein Hallsensorelement mit zwei gekreuzt angeordneten Differentialhallsensoren ist. Die Funktion von Differentialhallsensoren ist hinlänglich be- kannt, und sie sind in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich. Die Anordnung von zwei senkrecht zueinander gekreuzt angeordneten Differentialhallsensoren erlaubt die vorstehend geschilderte einfache Positionsfesteilung über den Arcustangens des Winkels des Vektors des Magnetfelds.

Die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds umf asst wenigstens einen Permanentmagnet, der senkrecht zur Messrichtung polarisiert ist und dessen Polarität des Magnetfelds sich über seine Längserstreckung verändert. Die Veränderung der Richtung des Vektors des Magnetfelds über die Längserstreckung des Permanentmagnets ist als Winkelabhängigkeit erfassbar und auswertbar. Der Winkel des Vektors des Magnetfelds steht in einem linearen Zusammenhang mit der Verschiebung des Bauteils. Dadurch ist der jeweilige gemessene Winkel unmittelbar der Position des verstellbaren Bauteils üuorden- ⁷ bar.

Eine Variante, die Polarität des Permanentmagnets über seine Längserstreckung zu ver- ändern besteht darin, dass der Permanentmagnet, der vertikal zur Messrichtung polarisiert ist, über seine Längserstreckung um wenigstens 180° verdrillt ist. Die Erfindung ist dabei nicht auf eine lineare Erstreckung des Permanentmagnets beschränkt. Eine weitere Ausführungsvariante des magnetischen Positionssensors kann vorsehen, dass der Permanentmagnet eine beliebige Kurve im Raum einnirruxit. Damit sind entsprechend beliebige räumliche Stellwege eines Bauteils nachvollziehbar und die Position des Bauteils kann an jedem Ort einfach durch die vektoiielle Auswertung des Magnetfelds festgestellt werden.

Eine einfache und zweckmässige Ausführungsvariante des magnetischen Positionssensors sieht vor, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds zwei oder mehrere Permanentmagnete umf asst, die senkrecht zur Messrichtung polarisiert sind und derart zueinander angeordnet sind, dass benachbarte Magnete entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Einander benachbarte Permanentmagnete sind vorzugsweise in einem Abstand von 10 mm bis 100 mm voneinander angeordnet. Permanentmagnete werden idea- lerweise durch das Magnetvolumen und die Eigenremanenz charakterisiert. Bei einem Magneten beispielsweise der Grosse 2x3x5 mm gibt die letzte Zahl „5" die Durchmagnetisierung an. Der Permanentmagnet ist somit durch 5 mm durchmagnetisiert. Ein Permanentmagnet der Dimension 2x5x3 mm ist durch 3 mm durchmagnetisiert. Typische für die Erfindung eingesetzte Permanentmagnete haben eine Eigenremanenz von 100 mT bis 1,5 T und einen Durchmesser von 2 mm bis 30 mm. Die Permanentmagnete können aber auch eine andere Bauform als zylindrisch haben. Die Länge der Permanentmagneten beträgt etwa das 0,1-fache bis 2-fache des Durchmessers. Der Abstand der Messfelder des galvanomagnetischen Detektors zu den Permanentmagneten beträgt dabei 1 mm bis 50 mm.

Die einzelnen Permanentmagnete können entlang einer linear verlaufenden Bahn oder entlang einer gekrümmten ebenen Bahn angeordnet sind, ha einer weiteren Ausführungsvariante des magnetischen können die Permanentmagnete entlang einer beliebig ge- krümmten räumlichen Bahn angeordnet sein. Je nach der Anordnung der Permanentmagnete sind lineare Verschiebungen, Verschiebungen entlang einer gekrümmten ebenen Bahn oder entlang einer beliebig im Raum gekrümmt verlaufenden Bahn auswertbar, um die jeweilige Position des verstellbaren Bauteils zu bestimmen.

Die analoge Auswertung zwischen jeweils 2 bis 3 Magneten kann mit einer digitalen Codierung ergänzt werden, sodass über mehrere Magnete eine längere lineare Wegstrecke gemessen werden kann. So können 3 Hallsensoren jeweils feststellen ob im Bereich N-S-N oder S-N-S gemessen wird. Bei repetitiven Abfragen mehrerer Pole N-S-N-S-N kann der Bereich mit einem digitalen Schalter, insbesondere mit digitalen Halleffektschaltern auf der gleichen oder auf einer separaten Spur erfasst werden. Das erfasste Absolutsignal setzt sich dann zusammen aus dem linearen Signal des galvanomagnetischen Detektors und dem digitalen Signal eines oder mehrerer digitaler Schalter, beispielsweise digitaler Halleffektsensoren.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Prinzipdarstellungen von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemä- ssen analogen magnetischen Positionssensors. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer Darstellung: Fig. 1 den schematischen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsge- mässen analogen magnetischen Positionssensors;

Fig.2 eine Variante einer Permanentmagnetanordnung bzw. eines Permanentmagnets eines magnetischen Positionssensors gemäss Fig. 1;

Fig.3 den schematische Aufbau eines magnetischen Positionssensors mit zwei Permanentmagneten;

Fig.4 den schematischen Aufbau eines magnetischen Positionssensors mit drei Permanentmagneten;

Fig.5 den vom magnetischen Positionssensor eines Auf baus gemäss Fig.4 entlang des Verschiebewegs gemessenen Signalverlauf;

Fig.6 den magnetischen Positionssensor gemäss Fig.4 mit Angaben zu den Abmessungen;

Fig.7 eine Anordung von Permanentmagneten entlang einer gekrümmten Verschiebebahn; und

Fig.8 einen beli ebig im Raum verlaufenden und verdrillten Permanentmagnet eines magnetischen Positionssensors.

In Fig.1 ist der prinzipielle Aufbau eines magnetischen Positionssensors gemäss der Erfindung schematisch dargestellt und gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Der magnetische Positionssensor 1, der beispielsweise im Automobilbau zur Überwachung eines verschiebbaren Bauteils_/ beispielsweise eines Sitzes, zum Einsatz kommen kann, umfasst einen Permanentmagnet 2 und einen galvanomagnetischen Detektor 5.

Die Bezeichnung galvanomagnetischer Detektor wird hier als Sammelbegriff für Detektoren verwendet, deren Funktion auf verschiedenen gavanomagnetischen Effekten beruht, die in einem von elektrischem Strom durchflossenen Leiter oder Halbleiter im Zusammenwirken mit einem Magnetfeld entstehen. Die Effekte können longitudinaler oder transversaler Natur sein. Insbesondere werden unter dem Begriff Hall-Sensoren und Feldplatten, aber auch magnetoresistive Detektoren verstanden, welche letzeren auf dem Prinzip magnetisch verursachter Widerstandseffekte in stromdurchflossenen ferroma- gnetischen Leitern beruhen.

Der Permanentmagnet 2 ist über seine Längserstreckung, welche der Länge des Verschiebewegs eines zu überwachenden Bauteils entspricht, verdrillt. Im dargestellten Fall be- trägt die Verdrillung vom einen Ende des Permanentmagnets 2 zum anderen Ende 180°. Entsprechend verändert die Polarität des Magnetfelds innerhalb des Permanentmagnets, die in Fig. 1 mit J bezeichnet ist, ihre Richtung. Während die Polarität J des Magnetfelds beim magnetischen Nordpol N aus der Zeichnungsebene herauszeigt, verläuft sie beim magnetischen Südpol S am anderen Ende des Permanentmagnets 2 in die Zeichnungse- bene hinein. Am magnetischen Nordpol N ist der zugehörige Südpol vom Betrachter ab- gfcjcehrt. Am dem Betrachter zugekehrten Südpol S ist der zugehörige Nordpol für den Betrachter unsichtbar.

hi der Regel ist der Permanentmagnet 2 des magnetischen Positionssensors ortsfest ange- ordnet, während der galvanomagnetische Detektor 5 verschieblich angeordnet ist. Die Verschieberichtung des Detektors 5, welche der Messrichtung entspricht, ist durch den Doppelpfeil D angedeutet. Die Messrichtung D verläuft senkrecht zur Polarität J des vom Permanentmagneten 2 erzeugten Magnetfelds. Der galvanomagnetische Detektor 5 weist wenigstens zwei Messfelder auf, deren Anordnung eine unmittelbare vektorielle Aus- Wertung des Magnetfelds erlaubt. Indem das Magnetfeld vektoriell erfasst wird, d.h. der Winkel des Magnetfeldvektors erfassbar ist, ist für die Lagefeststellung des entlang der Bahn verstellbaren Bauteils keine inkrementale Messung mit Nullpunktfestlegung erforderlich. Die absolute Position des Bauteils ist allein aus der Richtung des Magnetfelds ermittelbar.

Fig.2 zeigt einen Permanentmagnet einer alternativen Ausführungsvariante des magnetischen Positionssensors. Der mit dem Bezugszeichen 2* versehene Permanentmagnet ist über seine Längserstreckung um 360° verdrillt. Der Vektor J der Polarität des Magnetfelds zeigt am einen Endes des Permanentmagnets 2* am magnetischen Nordpol N aus der Zeichungsebene heraus, ändert seinen Winkel bis zum magnetischen Südpol S um 180° und weist in die Zeichenebene hinein, um nach einer weiteren Drehung um 180° am magnetischen Nordpol N am anderen Ende des Permanentmagnets 2* wieder aus der Zei- chungsebene herauszuweisen. Diese Ausführung des Permanentmagnets 2* des magnetischen Positionssensors erlaubt die Erfassung einer längeren Verschiebungsstrecke des überwachten Bauteils.

Fig.3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines magnetischen Positionssensors gemäss der Erfindung. Der gesamthaft mit 11 bezeichnete magnetische Positionssensor umfasst zwei Permanentmagnete 12, 13 und einen galvanomagnetischen Detektor 15. Die Permanentmagnete 12, 13 sind derart angeordnet, dass innerhalb der Permanentmagnete die Vektoren J des magnetischen Feldes, d.h. ihre Polaritäten, entgegengesetzt zueinander verlaufen. Die Verschieberichtung, die der Messrichtung entspricht, ist wiederum mit dem Bezugszeichen D versehen und verläuft senkrecht zu den Polaritäten J der beiden Permanentmagnete 12, 13.

Fig.4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines magnetischen Positionssensors gemäss der Erfindung, der gesamthaft das Bezugszeichen 21 trägt. Er umfasst drei Einzelmagnete 22, 23, 24 und einen galvanomagnetischen Detektor 25. Die Polaritäten J des Magnetfelds innerhalb von zwei benachbarten Permanentmagneten verlaufen gerade entgegengesetzt. Die wiederum mit dem Doppelpfeil D angedeutete Verschieberichtung = Messrichtung verläuft senkrecht zu den Polaritäten J der Permanentmagnete 22, 23, 24. In Fig.4 ist die Ausgangsposition am Permanentmagnet 22 mit 0 angegeben. Am Permanentmagnet 23, der eine um 180° gedrehte Polarität J aufweist ist die Position mit Pi bezeichnet. Entsprechend ist die Position des Permanentmagnet 24, dessen Polarität J derjenigen des Permanentmagnets 22 entspricht, mit 2Pi bezeichnet.

Fig.5 zeigt ein Diagramm, in dem der vom galvanomagnetischen Detektor gemessene Signalverlauf s über einen Verschiebeweg d dargestellt ist. Die linear angeordneten Permanentmagnete 22, 23, 24 definieren einen linearen Verschiebeweg. Das von einem Permanentmagnet zum benachbarten Permanentmagnet mit entgegengesetzter Polarität J aufgespannte Magnetfeld ändert entlang des Verschiebewegs seine Richtung. Die daraus resultierende Winkelabhängigkeit des Magnetfelds wird durch den galvanomagnetischen Detektor unmittelbar erfasst und über eine Arcustangens-Beziehung unmittelbar zu einem Verschiebeweg s in Beziehung gesetzt. Aus der Überlagerung der von den Permanentmagneten 22, 23, 24 erzeugten Magnetfeldern ergibt sich ein im wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen dem Verschiebeweg d und dem vom galvanomagnetischen Detektor 25 gemessenen Signal s. Somit kann aus dem erfassten Winkel des Magnetfelds unmittelbar die Position des entlang des Verschiebewegs d bewegten Bauteils bestimmt werden. Auf eine Nullpunktsfestlegung, wie sie bei den inkrementalen Messverfahren des Stands der Technik erforderlich ist, kann verzichtet werden.

Fig. 6 zeigt erneut die Anordnung der Permanentmagnete 22, 23, 24 und des galvanomagnetischen Detektors 25 des magnetischen Positionssensors 21 gemäss Fig. 4. Der Abstand zwischen benachbarten Permanentmagneten ist mit dem Bezugszeichen a versehen und beträgt beispielsweise 10 mm bis 100 mm, vorzugsweise 20 mm bis 60 mm. Die Messfel- der des galvanomagnetischen Detektors 25, deren Lage in Fig. 6 bei 26 angedeutet ist, weisen von den Permanentmagneten einen mit b bezeichneten Abstand auf, der bei- ■ spielsweise 5 mm bis 20 mm, vorzugsweise 8 mm bis 12 mm beträgt. Die eingesetzten Permanentmagnete haben eine Dimension von 3x3x3 mm bis 30x30x5 mm, vorzugsweise 4x4x2 mm bis 8x8x3 mm, bzw. bei zylindrischer Ausbildung die entsprechende Grundflä- che, und weisen eine Eigenremanenz von 0,1 T bis 2 T, vorzugsweise 0,8 T bis 1,4 T, auf. Der galvanomagnetische Detektor 25 weist beispielsweise 4 Messfelder auf, die in Kreuzform angeordnet sind. Jeweils einander auf einem Kreuzbalken gegenüberliegende Messfelder sind miteinander gekoppelt. Aus dieser Anordung ergibt sich eine einfache unmittelbare Auswertemöglichkeit des Winkels des Magnetfelds über eine Arcustangensbezie- ming.

Beispielsweise beträgt der Abstand a von benachbarten Permantenmagneten 50 mm. Die in Messrichtung gemessene Breite der Permanentmagnete bzw. deren Durchmesser beträgt dabei 10 mm. Der Abstand der Messfelder des galvanomagnetischen Detektors von den Permanentmagneten beträgt beispielsweise 6 mm. Die Permanentmagnete, die als einfache Stabmagnete ausgebildet sein können, besitzen eine Eigenremanenz von ca.1 T. Mit einer Anordnung von drei solchen Permanentmagneten lassen sich Distanzen von 100 mm und mehr überwachen und aus der linearen Beziehung des Verschiebewegs und des gemessenen Signals die Position des überwachten Bauteils unmittelbar feststellen. Die Toleranz hinsichtlich der Positioniergenauigkeit des galvanomagnetischen Detektors in Bezug auf die Permanentmagnete ist sehr hoch und beträgt bis zu einigen Zentimetern. Entsprechend ist das System robust und erschütterungsunempfindlich.

Der magnetische Positionssensor gemäss der Erfindung ist nicht auf die Erfassung linearer Verschiebungen von Bauteilen beschränkt. Fig. 7 zeigt beispielsweise einen magnetischen Positionssensor 31, dessen Permanentmagnete 32, 33, 34 entlang einer ebenen gekrümmten Bahn angeordnet sind. Der Verschiebeweg des überwachten Bauteils, der dem Verschiebeweg des mit dem Bezugszeichen 35 versehenen galvanomagnetischen Detektors 35 entspricht, ist in Fig. 7 als gekrümmte Bahn d angedeutet.

In einer nicht näher dargestellten Ausführungsvariante können vier oder mehr Permanentmagnete mit jeweils entgegengesetzten Polaritäten benachbarter Permanentmagnete entlang einer Kreisbahn angeordnet sein. Der galvanomagnetische Detektor ist dann entlang dieser Kreisbahn bewegbar und ermöglicht eine Winkelmessung eines rotierbaren Bauteils.

Die Anordung der Permanentmagnete ist auch nicht auf die Ebene beschränkt. In weite- ren Ausführungsvarianten können die einzelnen Permanentmagnete auch entlang einer beliebig im Raum gekrümmten Bahn angeordnet sein. Dies ermöglicht die einfache Überwachung entsprechender Verschiebewege, die beliebig im Raum gekrümmt verlaufen.

Fig.8 zeigt schematisch einen Permanentmagnet 2**, der in Analogie zu dem in Fig. 1 dargestellten Permanentmagnet entlang seiner Erstreckung um 180° verdrillt ist. Die sich über seine Erstreckung infolge der Verdrillung ändernde Polarität ist durch die Pfeile J angedeutet. Der Permanentmagnet 2** ist als ein flexibles Band ausgebildet, dass neben seiner Verdrillung eine beliebige Kurve im Raum beschreibt. Auch damit ist eine einfache Überwachung und Positionsfeststellung eines Bauteils möglich, welches entlang einer entsprechend beliebig im Raum gekrümmten Bahn verschiebbar ist. Es versteht sich, dass das Magnetband in Analogie zu dem in Fig. 2 dargestellten Permanentmagnet auch zweimal verdrillt sein kann. Es sind auch Ausführungsvarianten möglich, in denen das Magnetband über seine Längserstreckung entlang des Verschiebeweges öfter verdrillt ist.

Claims

Patentansprüche

1. Magnetischer Positionssensor zur Erfassung der Lage eines entlang einer vorgegebenen Bahn verstellbaren Bauteils, mit einer entlang der Stellbahn angeordneten Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, dessen Polarität sich entlang der

Stellbahn des Bauteils verändert, und wenigstens einem im Wirkungsbereich des Magnetfelds angeordneten galvanomagnetischen Detektor mit wenigstens zwei Messfeldern, der relativ zum Magnetfeld entlang der Stellbahn des Bauteils verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der galvanomagnetische Detektor (5; 15; 25; 35) zur vektoriellen Auswertung des Magnetfelds ausgebildet ist.

2. Magnetischer Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der galvanomagnetische Detektor vier Messfelder umfasst, die in Kreuzform angeordnet sind, wobei jeweils einander auf einem Kreuzbalken gegenüberliegende Mess- f eider miteinander gekoppelt sind.

3. Magnetischer Positionssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfelder Feldplatten sind.

4. Magnetischer Positionssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der galvanomagnetische Detektor ein Hallsensorelement mit zwei gekreuzt angeordneten Differentialhallsensoren ist.

5. Magnetischer Positionssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds wenigstens einen Permanentmagnet (2) umfasst, der senkrecht zur Messrichtung polarisiert ist und dessen Polarität (J) des Magnetfelds sich über seine Längserstrek- kung verändert.

6. Magnetischer Positionssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (2; 2*; 2**) über seine Längserstreckung um wenigstens 180° verdrillt ist.

7. Magnetischer Positionssensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (2**) eine beliebige räumliche Kurve beschreibt.

8. Magnetischer Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds zwei oder mehrere

Permanentmagnete (12, 13; 22, 23, 24; 32, 33, 34) umfasst, die senkrecht zur Messrichtung polarisiert sind und derart zueinander angeordnet sind, dass benachbarte Permanentmagnete entgegengesetzte Polaritäten (J) aufweisen, .

9. Magnetischer Positionssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (12, 13; 22, 23, 24) entlang einer linear verlaufenden Bahn angeordnet sind.

10. Magnetischer Positionssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete entlang einer gekrümmten ebenen Bahn (32, 33, 34) angeordnet sind.

11. Magnetischer Positionssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete entlang einer beliebig gekrümmten räumlichen Bahn ange- ordnet sind.

12. Magnetischer Positionssensor nach einem der Ansprüche 8 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass einander benachbarte Permanentmagnete in einem Abstand von 10 mm bis 100 mm voneinander angeordnet sind, eine Eigenremanenz von 100 mT bis 1,5 T aufweisen, einen Durchmesser von 2 mm bis 30 mm und eine Baulänge besitzen, die das 0,1-fache bis 1,5-fache des Durchmessers beträgt, und der Abstand der Messfelder des galvanomagnetischen Detektors zu den Permanentmagneten 10 mm bis 30 mm beträgt.