WO2009100697A1 - Magnetischer näherungssensor - Google Patents

Magnetischer näherungssensor Download PDF

Info

Publication number
WO2009100697A1
WO2009100697A1 PCT/DE2009/000021 DE2009000021W WO2009100697A1 WO 2009100697 A1 WO2009100697 A1 WO 2009100697A1 DE 2009000021 W DE2009000021 W DE 2009000021W WO 2009100697 A1 WO2009100697 A1 WO 2009100697A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
magnetic field
sensor
proximity sensor
proximity
sensor according
Prior art date
Application number
PCT/DE2009/000021
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph WEIβBACHER
Original Assignee
Forschungszentrum Jülich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Jülich GmbH filed Critical Forschungszentrum Jülich GmbH
Publication of WO2009100697A1 publication Critical patent/WO2009100697A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/147—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the movement of a third element, the position of Hall device and the source of magnetic field being fixed in respect to each other
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D11/00—Component parts of measuring arrangements not specially adapted for a specific variable
    • G01D11/24—Housings ; Casings for instruments
    • G01D11/245—Housings for sensors

Definitions

  • the invention relates to a magnetic proximity sensor.
  • Proximity sensors provide a measurement signal which changes as a function of the distance between the proximity sensor and an object to be detected.
  • Magnetic proximity sensors have the advantage over optical sensors that they can also detect an object to which there is no line of sight. They are more robust and easier to manufacture than inductive sensors or eddy current sensors. They have the advantage over these sensors that they work with a magnetic constant field, which penetrates many materials better. In addition, a dc field is easier to manufacture, and the measurement result can be directly processed without demodulation with a carrier frequency.
  • a proximity sensor is known in which the field lines of a permanent magnet prevail in the absence of a magnetizable object magnetic field-dependent resistors. As the article approaches, the field lines are at least partially directed therethrough past the resistors. Disadvantageously, this sensor only responds at a comparatively small distance at which considerable magnetic forces already act between the sensor and the object.
  • a proximity sensor is known in which a magnetic field sensor is arranged in the neutral zone between the poles of a permanent magnet. When approaching a ferromagnetic object, this neutral zone shifts, so that the magnetic field sensor registers a field. Unfortunately, the measurement result of this sensor is distorted by hysteresis effects in the material of the article, so that only the presence or absence of the object and the use of two sensors can detect the direction of the approach. Task and solution
  • a proximity sensor according to the main claim and an arrangement of such sensors according to the independent claim.
  • a magnetic bearing in which the sensor or the arrangement finds an advantageous application is the subject of a further independent claim.
  • a proximity sensor for detecting a magnetically permeable, in particular ferromagnetic, object.
  • This proximity sensor comprises at least one magnetic field sensor with a preferred axis and at least one magnetic field source for acting on the magnetic field sensor with a field component perpendicular to the preferred axis.
  • the proximity sensor is designed to detect an object which lies on the preferred axis of the magnetic field sensor.
  • the preferred axis of the magnetic field sensor is an axis of symmetry of the object.
  • an object approaching the proximity sensor is already located on the preferred axis of the magnetic field sensor when the preferred axis passes through the object.
  • the magnetic field source which applies a field to the magnetic field sensor generates a stray field in the vicinity of the proximity sensor which lies on the preferred axis of the magnetic field sensor. If a magnetically permeable and here in particular a ferromagnetic object is brought into this near area, an increased proportion of the magnetic flux of the magnetic field source flows through this object. The magnetic field applied to the magnetic field sensor is thereby distorted and receives an additional contribution along the preferred axis of the magnetic field sensor.
  • This post may be from Magnetic field sensor to be registered. It is inversely proportional to the distance between the object and the proximity sensor and therefore a measure of this distance. Thus, not only the mere presence of the object can be detected, but also the distance between the object and the proximity sensor can be monitored. This measurement can be used for example as input for an active control of the distance.
  • the object Since the object only enters the stray field of the magnetic field source, it is not penetrated by the entire flux of the magnetic field source. Seen in the direction of the preferred axis, the magnetic field lines of the stray field run on both sides of the magnetic field sensor, but the approximate object is located only on one side of the magnetic field sensor.
  • the flux density in the article is therefore in the range in which it depends linearly on the magnetic field applied by the magnetic field source, or at least closer to this linear region than in the prior art magnetic proximity sensors. This also causes the force interaction between the proximity sensor and the object to be minimized.
  • the preferred axis of the magnetic field sensor and the field direction of the magnetic field source form an angle of between 70 and 110 degrees, preferably of 90 degrees.
  • the magnetic field sensor signal is zero when there is no magnetically permeable object near the proximity sensor. Since it is technically particularly sensitive to determine whether a signal is zero or not zero, the beginning of an approach of the object can be detected early.
  • the magnetic field sensor is constantly subjected to a small field component along its preferred axis. Accordingly, even in the absence of the object, it constantly supplies a small measuring signal that can be used to monitor the function of the magnetic field sensor. A measuring signal of zero indicates a failure of the sensor in this case.
  • the small signal delivered in the absence of the article and the sensor functioning will grow inversely proportional to the decreasing distance between the article and the proximity sensor as the article approaches.
  • the preferred axis with an interface of the magnetic field sensor forms an angle of between 70 and 110 degrees, preferably of 90 degrees. At a given distance between the object and the proximity sensor, the distortion of the magnetic field from the magnetic field source and thus also the signal registered by the magnetic field sensor are greatest.
  • the magnetic field sensor is magnetoresistive and in particular a GMR sensor.
  • GMR sensors are particularly sensitive in the area of small magnetic fields as they arise along the preferred axis of the magnetic field sensor when the magnetic field from the magnetic field source is distorted by the presence of the object.
  • GMR sensors saturate even at comparatively low magnetic fluxes. Therefore, in the situation according to EP 0 234 458 A2, where the magnetic field dependent resistors essentially measure the full magnetic flux of the magnetic field source in the absence of the object, these resistors could not easily be replaced by GMR sensors.
  • the magnetic field source can generate a field strength of 0.5 Tesla or more, preferably of 1 Tesla or more, at at least one location within the magnetic field sensor. Particularly in the case of a perpendicular orientation of the magnetic field and the preferred axis of the magnetic field sensor, a stronger magnetic field does not disturb the measurement of the magnetic field sensor. However, at a given distance of the object, it causes the magnetic field component caused by the FeId distortion to increase along the preferential axis. This increases the accuracy of the distance measurement. For a given detection sensitivity of the magnetic field sensor, the maximum distance at which the object can still be detected by the proximity sensor increases.
  • a permanent magnet As a magnetic field source, in particular a permanent magnet is suitable because it requires no energy supply.
  • a permanent magnet is suitable which contains a compound which comprises at least one ferromagnetic metal and at least one rare earth metal. Such magnets can produce the largest magnetic flux density.
  • the compound may be, for example, a neodymium-iron-boron or a samarium-cobalt compound.
  • Commercially available magnets made of NdFeB have a remanence flux density of 1.2 T, but 1.5 T are possible.
  • SmCo samarium cobalt
  • very high remanence flux densities are possible, they are also more temperature resistant. But they are more expensive and have a little something lower energy density than NdFeB magnets.
  • At least one magnetic field sensor and at least one magnetic field source are arranged on different sides of a substrate, which may in particular contain silicon. Then, the semiconducting methods of mass production can also be used to produce large numbers of miniaturized proximity sensors according to the invention. In particular, the proximity sensor can then be designed as an integrated circuit. The limiting factor for miniaturization is usually the magnetic field source.
  • the magnetic field source and the magnetic field sensor can also be arranged directly adjacent to one another and bonded to one another, for example, without a substrate arranged therebetween.
  • the proximity sensor comprises a shield surrounding the magnetic field sensor and the magnetic field source of a magnetically permeable, in particular ferromagnetic material, which has a recess seen in the direction of the preferred axis of the magnetic field sensor.
  • the material of the shield is highly permeable. However, the effect tends to begin as soon as the material concentrates magnetic field lines better than air.
  • the shielding suppresses the influence of external disturbance magnetic fields on the measurement result. This is particularly advantageous if the proximity sensor is arranged in the vicinity of other magnetic parts, such as, for example, electromagnetic coils of actively controlled magnetic bearings.
  • the operating point of the proximity sensor can be influenced with such a shield: the more permeable the shield, the greater the proportion of the magnetic flux from the magnetic field source which is short-circuited by the shield and does not even reach an object possibly present in the vicinity of the proximity sensor ,
  • the shield thus reduces the sensitivity of the proximity sensor.
  • the magnetic field source, the magnetic field sensor and optionally the substrate may be potted in the shield, for example with a resin.
  • the shield surrounding the magnetic field sensor and the magnetic field source of a magnetically permeable material which has a recess as seen in the direction of the preferred axis of the magnetic field sensor, forms the proximity sensor for detecting an object which lies on the preferred axis of the magnetic field sensor. Seen in the direction of the preferred axis, the magnetic flux from the magnetic field source is not short-circuited by the shield. Instead, he forms a stray field. A permeable object entering this stray field distorts the magnetic field applied to the magnetic field sensor.
  • a proximity sensor for detecting a magnetically permeable object comprising at least one magnetic field sensor with a preferred axis and at least one magnetic field source for acting on the magnetic field sensor with a field component perpendicular to the preferred axis, characterized by a surrounding of the magnetic field sensor and the magnetic field source shield of a magnetically permeable material which in Having seen a direction of the preferred axis of the magnetic field sensor has a recess, thus is also an inventive proximity sensor.
  • an arrangement of at least two proximity sensors according to the invention has been developed.
  • this arrangement has an evaluation unit which is able to determine the difference of the measurement signals of the proximity sensors. It was recognized that the difference formation greatly reduces the influence of nonlinearities of the magnetic field sensors. At the same time, common mode noise is suppressed. Common mode noise is interference that affects both sensors equally, such as fluctuations in the supply voltage.
  • a magnetic bearing comprising a stator and a rotor has been developed.
  • the further development according to the invention consists in that at least one erf ⁇ ndungswasher proximity sensor or at least one arrangement according to the invention is arranged fixed relative to the stator according to claim 13.
  • the measurement signal can be used in such a magnetic bearing as input for its active control.
  • the proximity sensor (s) are shielded here, so that they are not or only insignificantly influenced by the electromagnetic coils of the active control.
  • the output signals of the proximity sensors according to the invention can be evaluated in the same way for the purpose of active control as the output signals of eddy current sensors according to the prior art.
  • the inventive arrangement can be produced, for example, by existing existing proximity sensors are replaced by the invention.
  • Figure 1 embodiment of the proximity sensor according to the invention without
  • FIG. 1 Photograph of a magnetic bearing according to the invention.
  • Figure 4 Circuit structure of a GMR sensor.
  • FIG. 6 Comparison of the distance characteristic curves of two inventive devices
  • FIG. 1a shows an exemplary embodiment of the proximity sensor X according to the invention in sectional drawing.
  • a GMR sensor 1 whose preferred axis is shown with a long dashed arrow, and a permanent magnet 2, the field direction is shown with a short bold arrow, are arranged opposite one another on different sides of a substrate 3.
  • the substrate is in this embodiment, a piece of a commercial board.
  • the permanent magnet 2 is made of a neodymium-iron-boron alloy and provides on its surface a magnetic flux density of 1.2 T.
  • the preferred axis of the GMR sensor. 1 is perpendicular to the interface of the GMR sensor 1 at the right edge of Figure Ia.
  • GMR sensor permanent magnet and substrate are arranged within a permeable shield of structural steel S235.
  • This shield has seen in the direction of the preferred axis of the GMR sensor a recess. In addition, it has invisible slots 41 in FIG. 1 a, which accommodate the substrate 3.
  • the line 6a schematically outlines the course of one of those field lines of the magnetic field generated by the permanent magnet 2, which are short-circuited by the shield 4.
  • FIG. 1b shows how the situation changes when a magnetically permeable object 5 is in the vicinity of the proximity sensor.
  • the line 6b exemplarily outlines the course of a field line, which is not short-circuited by the shield 4, but contributes to the stray field in the vicinity of the proximity sensor.
  • This field line 6b passes through the object 5 when the object 5 is introduced into the stray field. This distorts their course within the proximity sensor. It now passes through the GMR sensor 1 not only perpendicular to its preferred direction, but also has a component in this preferred direction. This component can be registered by the GMR sensor and evaluated as a signal for the approach of the object 5.
  • FIG. 2 is a photograph of two proximity sensors X according to the invention.
  • the slits 41 are visible in the shields 4 for receiving the substrate 3.
  • the shields 4 have in the rear area, in which the leads enter, external thread 42 for attachment of the proximity sensors at the site.
  • the GMR sensor 1 is visible in both proximity sensors X, but the contrast of the image is not sufficient to detect the permanent magnet 2 or the substrate 3.
  • the shield 4 of the left approximate sensor shown in Figure 2 is made of brass, the shield 4 of the right in Figure 2 proximity sensor is made of mild steel
  • FIG. 3 is a photograph of a magnetic bearing according to the invention in plan view. Concentric with a base support 10, which consists of two superimposed metal rings, an air gap tube 11 is arranged, in which the rotor 12 is located.
  • the magnetic bearing is actively regulated radially.
  • actuators in this scheme are four electromagnetic coils 13, which are distributed along the inner circumference of the base support 10.
  • the stator also contains permanent magnets; these are not visible in FIG. They are not absolutely necessary for the functioning of the magnetic bearing, but provide a standard value for the magnetic flux density, which can then be reduced or amplified by the coils 13. The closer this standard value is to the average value of the magnetic flux density required during operation of the magnetic bearing, the less power is needed to operate the coils 13. As a result, heating of the magnetic bearing is advantageously minimized.
  • an inventive proximity sensor X is arranged, of which only the shield 4 can be seen in each case. While the shield 4 is cylindrical in the sensors shown in Figure 2, here it is cuboid. This has no significant effect on the function of the sensors, but cuboidal sensors are easier to attach, here with a grub screw.
  • the preferred axis of the GMR sensor 1 of each proximity sensor X points to the axis of rotation of the rotor 12.
  • the proximity sensors X thus monitor in each case the distance of the rotor 12 to the respective sensor X and thus also to the wall of the air gap tube 11.
  • Each proximity sensor X is about 1 mm in operation.
  • the rotor can be detected up to a distance of about 4 mm in front of a proximity sensor X.
  • the proximity sensors X are connected to an evaluation unit, which evaluates the difference of the measurement signals of the proximity sensors X.
  • the GMR sensor 1 consists of a bridge circuit of four identical magnetic field-dependent resistors, two of which are magnetically shielded and thus no longer respond to external magnetic fields. It has four ports a, b, c and d. Terminal a is connected to supply voltage U 1n and terminal b to ground. When a magnetic field is applied, a difference signal U ou t between the terminals c and d For the signal evaluation in the magnetic bearing shown in FIG. 3, the difference signals in the evaluation unit are first converted into mass-related signals. These signals are then matched in a potentiometer-adjustable correction circuit that compensates for manufacturing differences between the characteristics of nominally identical GMR sensors.
  • Differences between the thus aligned signals of two opposing proximity sensors X are then each a measure of the position of the rotor 12 on the connecting axis between these two sensors. From this, the position of the rotor 12 on the axis between two opposing coils 13 is calculated with a further analog circuit by adding or subtracting the difference signals of the two sensor pairs.
  • the connection axes between the proximity sensors X enclose an angle of 45 degrees with the axes between opposing coils 13.
  • each GMR sensor 1 and thus also each proximity sensor X delivers a signal between 0 and 1 volt.
  • each proximity sensor X delivers a signal between 0 and 1 volt.
  • Inductive and eddy current sensors which usually have a carrier frequency of 1 MHz, can not detect the rotor 12 through the air gap tube due to the skin effect.
  • FIG. 5 shows the distance characteristic of the first prototype of the proximity sensor according to the invention.
  • This prototype includes a NVR-AA 004-02 GMR sensor 1 with a saturation flux density of 3.5 mT and a permanent magnet 2 bonded to its IC housing.
  • the permanent magnet is 5 mm x 5 mm x 2 mm and has a Magnetization degree of N38, which corresponds to a remanent flux density of about 1.2 T. This is approximately 340 times the saturation flux density of the GMR sensor 1.
  • the GMR sensor is functional in this arrangement because its preferred direction is perpendicular to the field direction of the permanent magnet 2.
  • the output voltage U out of the GMR sensor is plotted as a function of the distance of the proximity sensor to a piece of structural steel S235, which functions as a permeable object 5 here.
  • the piece of mild steel became the proximity sensor along the easy axis of the GMR sensor 1 is successively approximated.
  • the proximity sensor can register the presence of structural steel.
  • the increase of U ou t accelerates with decreasing distance, until it slows down again at a distance of about 1.5 mm.
  • FIG. 6 shows distance characteristics of two different proximity sensors 1 and 2 according to the invention.
  • a shielding made of brass surrounds the GMR sensor 1 and the permanent magnet 2, as viewed in the direction of the preferred axis of the GMR sensor 1 in each case the measuring signal of the proximity sensor as a function of the distance to the end of a micrometer screw, which at the same time serves as a ferromagnetic article 5 and as a measuring instrument for the distance to this object.
  • the numbers 1 and 2 indicate whether it is the first or the second sensor.
  • the + and - signs indicate in the legend whether the distance to the end of the micrometer screw is being increased or decreased during the measurement. For each sensor, therefore, a deviation between its curves labeled "+" and "-" is a measure of the extent to which the measurement is affected by hysteresis effects.
  • the characteristics of the two proximity sensors differ significantly. This is due, on the one hand, to production-related deviations of the characteristic curves of nominally identical GMR sensors 1 and, on the other hand, to fluctuations due to the still manual combination of GMR sensor 1 and permanent magnet 2 into a proximity sensor. For example, the characteristic depends sensitively on the positioning of the permanent magnet 2 relative to the GMR sensor 1.
  • the curve "2K1" illustrates how the characteristic curve of the second proximity sensor can be adapted to that of the first proximity sensor by means of the above-mentioned correction circuit in the evaluation unit of the arrangement according to the invention, for which the characteristic of the second proximity sensor is multiplied by a constant factor, and it becomes In a distance range between about 0.4 and about 1, 0 mm, a good agreement of the two characteristics can be achieved.
  • the signal strength decreases markedly, since a greater proportion of the magnetic flux of the permanent magnet 2 is short-circuited by the shield 4 and no longer to the Measuring signal contributes. In return, the measurement becomes less sensitive to external disturbances.
  • the difference between the signals of two proximity sensors in good approximation is linear if, as described above, the manufacturing differences between the proximity sensors have been compensated.
  • an arrangement could be realized in which the difference is linear over a distance range of 1 mm.
  • the difference need not be linear over the entire mechanical range of motion of the rotor. It is sufficient if it is linear around the desired rest position of the magnetic bearing. It is important for an active control of the magnetic bearing that the difference between the signals of two proximity sensors is linear in this area. Non-linear effects lead to harmonics and therefore to vibrations of the control.
  • the magnetic bearing whose rest position is a priori unstable, successfully brought to suspension (hovering).

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Näherungssensor zur Erkennung eines magnetisch permeablen Gegenstands. Dieser umfasst mindestens einen Magnetfeldsensor mit einer Vorzugsachse und mindestens eine Magnetfeldquelle zur Beaufschlagung des Magnetfeldsensors mit einer Feldkomponente senkrecht zu der Vorzugsachse. Erfindungsgemäß ist der Näherungssensor zur Erkennung eines Gegenstands ausgebildet ist, der auf der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors liegt, beispielsweise durch eine den Magnetfeldsensor und die Magnetfeldquelle umgebende Abschirmung aus einem magnetisch permeablen Material, welche in Richtung der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors gesehen eine Aussparung aufweist. Bei Annäherung eines permeablen Gegenstands wird das von der Magnetfeldquelle erzeugte Magnetfeld verzerrt und erhält eine Komponente in Richtung der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors, die vom Magnetfeldsensor registriert werden kann. Der Näherungssensor ist miniaturisierbar und mit den in der Halbleitertechnik etablierten Fertigungsmethoden herstellbar.

Description

B e s c h r e i b u n g Magnetischer Näherungssensor
Die Erfindung betrifft einen magnetischen Näherungssensor.
Stand der Technik
Näherungssensoren liefern ein Messsignal, welches sich in Abhängigkeit des Abstands zwi- sehen dem Näherungssensor und einem zu erkennenden Gegenstand ändert. Magnetische Näherungssensoren haben gegenüber optischen Sensoren den Vorteil, dass sie auch einen Gegenstand erkennen können, zu dem keine Sichtverbindung besteht. Dabei sind sie robuster und einfacher herzustellen als induktive Sensoren oder Wirbelstromsensoren. Sie haben gegenüber diesen Sensoren den Vorteil, dass sie mit einem magnetischen Gleichfeld arbeiten, welches viele Materialien besser durchdringt. Zudem ist ein Gleichfeld einfacher herzustellen, und das Messergebnis kann ohne Demodulation mit einer Trägerfrequenz direkt weiterverarbeitet werden.
Aus der EP 0 234 458 A2 ist ein Näherungssensor bekannt, bei dem die Feldlinien eines Permanentmagneten in Abwesenheit eines magnetisierbaren Gegenstands magnetfeldabhängige Widerstände durchsetzen. Bei Annäherung des Gegenstands werden die Feldlinien zumindest teilweise durch diesen hindurch an den Widerständen vorbei geleitet. Nachteilig spricht dieser Sensor erst bei einem vergleichsweise geringen Abstand an, bei dem bereits erhebliche magnetische Kräfte zwischen dem Sensor und dem Gegenstand wirken.
Aus der DE 42 27 831 Al ist ein Näherungssensor bekannt, bei dem ein Magnetfeldsensor in der neutralen Zone zwischen den Polen eines Permanentmagneten angeordnet ist. Bei Annäherung eines ferromagnetischen Gegenstands verschiebt sich diese neutrale Zone, so dass der Magnetfeldsensor ein Feld registriert. Nachteilig wird das Messergebnis dieses Sensors durch Hystereseeffekte im Material des Gegenstands verfälscht, so dass nur die An- oder Abwesenheit des Gegenstands sowie beim Einsatz zweier Sensoren die Richtung der Annäherung er- kennbar sind. Aufgabe und Lösung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Näherungssensor zur Verfügung zu stellen, bei dem Hystereseeffekte des zu erkennenden Gegenstands einen geringeren Einfluss haben und bei dem die magnetischen Kräfte zwischen dem Sensor und dem Gegenstand geringer sind als nach dem Stand der Technik.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch einen Näherungssensor gemäß Hauptanspruch und eine Anordnung aus solchen Sensoren gemäß Nebenanspruch. Ein Magnetlager, in dem der Sensor oder die Anordnung eine vorteilhafte Anwendung findet, ist Gegenstand eines weiteren Nebenanspruchs.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Näherungssensor zur Erkennung eines magnetisch permeablen, insbesondere ferromagnetischen Gegenstands entwickelt. Dieser Näherungssensor umfasst mindestens einen Magnetfeldsensor mit einer Vorzugsachse und mindestens eine Magnetfeldquelle zur Beaufschlagung des Magnetfeldsensors mit einer Feldkomponente senkrecht zu der Vorzugsachse.
Erfindungsgemäß ist der Näherungssensor zur Erkennung eines Gegenstands ausgebildet, der auf der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors liegt.
Hierbei ist es ausdrücklich nicht erforderlich, dass die Vorzugsachse des Magnetfeldsensors eine Symmetrieachse des Gegenstands ist. Ein an den Näherungssensor angenäherter Gegen- stand liegt im Sinne dieser Erfindung bereits auf der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors, wenn die Vorzugsachse durch den Gegenstand hindurchtritt.
Es wurde erkannt, dass die Magnetfeldquelle, die den Magnetfeldsensor mit einem Feld beaufschlagt, ein Streufeld in dem Nahbereich des Näherungssensors erzeugt, der auf der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors liegt. Wird ein magnetisch permeabler und hier insbesonde- re ein ferromagnetischer Gegenstand in diesen Nahbereich gebracht, fließt ein erhöhter Anteil des magnetischen Flusses der Magnetfeldquelle durch diesen Gegenstand. Das Magnetfeld, mit dem der Magnetfeldsensor beaufschlagt wird, wird dadurch verzerrt und erhält einen zusätzlichen Beitrag entlang der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors. Dieser Beitrag kann vom Magnetfeldsensor registriert werden. Er ist umgekehrt proportional zum Abstand zwischen dem Gegenstand und dem Näherungssensor und daher ein Maß für diesen Abstand. Somit kann nicht nur das bloße Vorhandensein des Gegenstands erkannt werden, sondern es kann auch der Abstand zwischen dem Gegenstand und dem Näherungssensor überwacht werden. Diese Messung kann beispielsweise als Eingangsgröße für eine aktive Regelung des Abstands verwendet werden.
Da der Gegenstand lediglich in das Streufeld der Magnetfeldquelle eintritt, wird er nicht vom gesamten Fluss der Magnetfeldquelle durchsetzt. In Richtung der Vorzugsachse gesehen verlaufen die magnetischen Feldlinien des Streufelds beiderseits des Magnetfeldsensors, jedoch befindet sich der angenäherte Gegenstand nur auf einer Seite des Magnetfeldsensors. Die
Flussdichte im Gegenstand ist daher in dem Bereich, in dem sie linear vom von der Magnetfeldquelle vorgelegten Magnetfeld abhängt, oder sie liegt zumindest näher an diesem linearen Bereich als bei magnetischen Näherungssensoren nach dem Stand der Technik. Dies bewirkt zugleich, dass die Kraftwechselwirkung zwischen dem Näherungssensor und dem Gegenstand minimiert wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließen die Vorzugsachse des Magnetfeldsensors und die Feldrichtung der Magnetfeldquelle einen Winkel zwischen 70 und 110 Grad, bevorzugt von 90 Grad, ein. Bei einem Winkel von 90 Grad ist das Signal des Magnetfeldsensors Null, wenn kein magnetisch permeabler Gegenstand in der Nähe des Nä- herungssensors ist. Da technisch besonders empfindlich festgestellt werden kann, ob ein Signal Null oder nicht Null ist, kann der Beginn einer Annäherung des Gegenstands frühzeitig erkannt werden.
Ist der Winkel dagegen wenig verschieden von 90 Grad, wird der Magnetfeldsensor ständig auch mit einer kleinen Feldkomponente entlang seiner Vorzugsachse beaufschlagt. Dement- sprechend liefert er auch bei Abwesenheit des Gegenstands ständig ein kleines Messsignal, das genutzt werden kann, um die Funktion des Magnetfeldsensors zu überwachen. Ein Messsignal von Null zeigt in diesem Fall einen Ausfall des Sensors an. Das bei Abwesenheit des Gegenstands und funktionierendem Sensor gelieferte kleine Signal wächst bei Annäherung des Gegenstands umgekehrt proportional zum abnehmenden Abstand zwischen dem Gegen- stand und dem Näherungssensor. Vorteilhaft schließt die Vorzugsachse mit einer Grenzfläche des Magnetfeldsensors einen Winkel zwischen 70 und 110 Grad, bevorzugt von 90 Grad, ein. Bei einem gegebenen Abstand zwischen Gegenstand und Näherungssensor sind dann die Verzerrung des Magnetfeldes aus der Magnetfeldquelle und damit auch das vom Magnetfeldsensor registrierte Signal am größten.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Magnetfeldsensor magnetoresistiv und hier insbesondere ein GMR-Sensor. Diese Sensoren, insbesondere GMR- Sensoren sind besonders empfindlich im Bereich kleiner Magnetfelder, wie sie entlang der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors entstehen, wenn das Magnetfeld aus der Magnetfeld- quelle durch Anwesenheit des Gegenstands verzerrt wird. GMR- Sensoren geraten jedoch schon bei vergleichsweise geringen magnetischen Flüssen in die Sättigung. In der Situation gemäß EP 0 234 458 A2, wo die magnetfeldabhängigen Widerstände bei Abwesenheit des Gegenstands im Wesentlichen den vollen magnetischen Fluss der Magnetfeldquelle messen, könnten diese Widerstände daher nicht ohne Weiteres durch GMR-Sensoren ersetzt werden.
Vorteilhaft vermag die Magnetfeldquelle eine Feldstärke von 0,5 Tesla oder mehr, bevorzugt von 1 Tesla oder mehr, an mindestens einem Ort innerhalb des Magnetfeldsensors zu erzeugen. Insbesondere bei einer senkrechten Ausrichtung von Magnetfeld und Vorzugsachse des Magnetfeldsensors stört ein stärkeres Magnetfeld die Messung des Magnetfeldsensors nicht. Es führt aber dazu, dass bei einem gegebenen Abstand des Gegenstands die durch die FeId- Verzerrung bewirkte Magnetfeldkomponente entlang der Vorzugsachse größer wird. Damit wird die Genauigkeit der Abstandsmessung gesteigert. Bei einer gegebenen Nachweisempfindlichkeit des Magnetfeldsensors wächst der maximale Abstand, in dem der Gegenstand noch vom Näherungssensor erfasst werden kann.
Als Magnetfeldquelle ist insbesondere ein Permanentmagnet geeignet, da er keine Energiezu- fuhr benötigt. Es ist insbesondere ein Permanentmagnet geeignet, der eine Verbindung enthält, die mindestens ein ferromagnetisches Metall und mindestens ein Seltenerdmetall um- fasst. Derartige Magnete können die größte magnetische Flussdichte erzeugen. Die Verbindung kann beispielsweise eine Neodym-Eisen-Bor- oder eine Samarium-Kobalt- Verbindung sein. Handelsübliche Magnete aus NdFeB haben eine Remanenzflussdichte von 1,2 T, 1,5 T sind aber möglich. Auch mit Samarium-Kobalt (SmCo) sind sehr hohe Remanenzflussdichten möglich, sie sind außerdem temperaturbeständiger. Dafür sind sie teurer und haben eine etwas geringere Energiedichte als Magnete aus NdFeB.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens ein Magnetfeldsensor und mindestens eine Magnetfeldquelle auf unterschiedlichen Seiten eines Substrates angeordnet, welches insbesondere Silizium enthalten kann. Dann können die halbleitertechnischen Me- thoden der Massenfertigung auch zur Herstellung großer Stückzahlen miniaturisierter erfindungsgemäßer Näherungssensoren verwendet werden. Insbesondere kann der Näherungssensor dann als integrierte Schaltung ausgebildet sein. Der begrenzende Faktor für die Miniaturisierung ist in aller Regel die Magnetfeldquelle.
Es ist aber auch beispielsweise eine handelsübliche Platine als Substrat geeignet.
Die Magnetfeldquelle und der Magnetfeldsensor können auch ohne dazwischen angeordnetes Substrat unmittelbar benachbart angeordnet und beispielsweise miteinander verklebt sein.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Näherungssensor eine den Magnetfeldsensor und die Magnetfeldquelle umgebende Abschirmung aus einem magnetisch permeablen, insbesondere ferromagnetischen Material, welche in Richtung der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors gesehen eine Aussparung aufweist. Besonders bevorzugt ist das Material der Abschirmung hochpermeabel. Die Wirkung setzt jedoch tendenziell bereits ein, sobald das Material magnetische Feldlinien besser konzentriert als Luft.
Durch die Abschirmung wird der Einfluss externer Störmagnetfelder auf das Messergebnis unterdrückt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Näherungssensor in der Nähe anderer magnetischer Teile, wie zum Beispiel elektromagnetischer Spulen aktiv geregelter Magnetlager, angeordnet ist.
Zugleich lässt sich mit einer solchen Abschirmung auch der Arbeitspunkt des Näherungssensors beeinflussen: Je permeabler die Abschirmung ist, desto größer ist der Anteil des magnetischen Flusses aus der Magnetfeldquelle, der durch die Abschirmung kurzgeschlossen wird und einen im Nahbereich des Näherungssensors eventuell vorhandenen Gegenstand gar nicht erreicht. Die Abschirmung verringert somit die Empfindlichkeit des Näherungssensors.
Ist beispielsweise durch die erwähnte Massenherstellung eine große Anzahl identischer Näherungssensoren auf einem Siliziumwafer als Substrat hergestellt worden, so können diese nach dem Aufteilen des Siliziumwafers in einzelne Näherungssensoren durch Einbringen in unterschiedlich permeable und/oder unterschiedlich dicke Abschirmungen nachträglich in ihrer Empfindlichkeit verändert werden. Es ist kostengünstiger, die Empfindlichkeit auf diese Weise durch einen rein mechanischen Akt zu verändern, als die Parameter des halbleitertechni- sehen Herstellungsprozesses immer wieder anzupassen.
Die Magnetfeldquelle, der Magnetfeldsensor und gegebenenfalls das Substrat können beispielsweise in der Abschirmung vergossen sein, etwa mit einem Harz.
Die den Magnetfeldsensor und die Magnetfeldquelle umgebende Abschirmung aus einem magnetisch permeablen Material, welche in Richtung der Vorzugsachse des Magnetfeldsen- sors gesehen eine Aussparung aufweist, bildet den Näherungssensor zur Erkennung eines Gegenstands aus, der auf der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors liegt. In Richtung der Vorzugsachse gesehen wird der magnetische Fluss aus der Magnetfeldquelle nicht durch die Abschirmung kurzgeschlossen. Stattdessen bildet er ein Streufeld. Ein permeabler Gegenstand, der in dieses Streufeld eintritt, verzerrt das Magnetfeld, mit dem der Magnetfeldsensor beauf- schlagt wird.
Ein Näherungssensor zur Erkennung eines magnetisch permeablen Gegenstands, umfassend mindestens einen Magnetfeldsensor mit einer Vorzugsachse und mindestens eine Magnetfeldquelle zur Beaufschlagung des Magnetfeldsensors mit einer Feldkomponente senkrecht zu der Vorzugsachse, gekennzeichnet durch eine den Magnetfeldsensor und die Magnetfeldquelle umgebende Abschirmung aus einem magnetisch permeablen Material, welche in Richtung der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors gesehen eine Aussparung aufweist, ist somit ebenfalls ein erfindungsgemäßer Näherungssensor.
Im Rahmen der Erfindung wurde eine Anordnung aus mindestens zwei erfindungsgemäßen Näherungssensoren entwickelt. Diese Anordnung weist erfindungsgemäß eine Auswerteein- heit auf, welche die Differenz der Messsignale der Näherungssensoren zu bestimmen vermag. Es wurde erkannt, dass durch die Differenzbildung der Einfluss von Nichtlinearitäten der Magnetfeldsensoren stark vermindert wird. Zugleich werden Gleichtaktstörungen unterdrückt. Gleichtaktstörungen sind Störungen, die beide Sensoren gleichermaßen betreffen, wie etwa Schwankungen der Versorgungsspannung. Im Rahmen der Erfindung wurde ein Magnetlager, umfassend einen Stator und einen Rotor, fortentwickelt. Die erfindungsgemäße Fortentwicklung besteht darin, dass mindestens ein erfϊndungsgemäßer Näherungssensor oder mindestens eine erfindungsgemäße Anordnung nach Anspruch 13 relativ zum Stator fixiert angeordnet ist. Das Messsignal kann in einem solchen Magnetlager als Eingangsgröße für dessen aktive Regelung herangezogen werden. Vorteilhaft sind hier der oder die Näherungssensoren abgeschirmt, so dass sie nicht oder nur unwesentlich durch die elektromagnetischen Spulen der aktiven Regelung beeinflusst werden.
Die Ausgangssignale der erfindungsgemäßen Näherungssensoren können auf die gleiche Weise für die Zwecke der aktiven Regelung ausgewertet werden wie die Ausgangssignale von Wirbelstromsensoren gemäß Stand der Technik. Somit lässt sich die erfindungsgemäße Anordnung beispielsweise herstellen, indem bestehende Näherungssensoren durch erfindungsgemäße ersetzt werden.
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
Figur 1 : Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Näherungssensor ohne
(Teilbild a) und mit (Teilbild b) Gegenstand im Nahbereich. Figur 2: Fotografie zweier erfindungsgemäßer Näherungssensoren. Figur 3 : Fotografie eines erfindungsgemäßen Magnetlagers. Figur 4: Schaltungsaufbau eines GMR-Sensors.
Figur 5: Abstandskennlinie des ersten Prototyps des erfindungsgemäßen
Näherungssensors . Figur 6: Vergleich der Abstandskennlinien zweier erfindungsgemäßer
Näherungssensoren.
Figur Ia zeigt ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Näherungssensor X in Schnittzeichnung. Ein GMR-Sensor 1, dessen Vorzugsachse mit einem langen gestrichelten Pfeil dargestellt ist, und ein Permanentmagnet 2, dessen Feldrichtung mit einem kurzen fettgedruckten Pfeil dargestellt ist, sind gegenüber liegend auf unterschiedlichen Seiten eines Substrats 3 angeordnet. Das Substrat ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Stück aus einer handelsüblichen Platine. Das Magnetfeld des Permanentmagneten 2 steht senkrecht auf der Vorzugsrichtung des GMR-Sensors 1. Der Permanentmagnet 2 besteht aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung und liefert auf seiner Oberfläche eine magnetische Flussdichte von 1,2 T. Die Vorzugsachse des GMR-Sensors 1 steht senkrecht auf der Grenzfläche des GMR-Sensors 1 am rechten Rand von Figur Ia.
GMR-Sensor, Permanentmagnet und Substrat sind innerhalb einer permeablen Abschirmung aus Baustahl S235 angeordnet. Diese Abschirmung hat in Richtung der Vorzugsachse des GMR-Sensors gesehen eine Aussparung. Zusätzlich weist sie in Figur Ia nicht sichtbare Schlitze 41 auf, die das Substrat 3 aufnehmen. Die Linie 6a skizziert beispielhaft den Verlauf einer derjenigen Feldlinien des von dem Permanentmagneten 2 erzeugten Magnetfelds, die von der Abschirmung 4 kurzgeschlossen werden.
In Figur Ib ist dargestellt, wie sich die Situation ändert, wenn sich ein magnetisch permeabler Gegenstand 5 im Nahbereich des Näherungssensors befindet. Die Linie 6b skizziert beispielhaft den Verlauf einer Feldlinie, die nicht durch die Abschirmung 4 kurzgeschlossen wird, sondern zum Streufeld im Nahbereich des Näherungssensors beiträgt. Diese Feldlinie 6b tritt beim Einbringen des Gegenstands 5 in das Streufeld durch den Gegenstand 5 hindurch. Dadurch wird ihr Verlauf innerhalb des Näherungssensors verzerrt. Sie durchtritt den GMR- Sensor 1 jetzt nicht mehr nur senkrecht zu dessen Vorzugsrichtung, sondern weist auch eine Komponente in dieser Vorzugsrichtung auf. Diese Komponente kann vom GMR-Sensor re- gistriert und als Signal für die Annäherung des Gegenstands 5 ausgewertet werden.
Figur 2 ist eine Fotografie zweier erfindungsgemäßer Näherungssensoren X. In dieser Perspektive sind die Schlitze 41 in den Abschirmungen 4 zur Aufnahme des Substrats 3 sichtbar. Die Abschirmungen 4 weisen im hinteren Bereich, in dem die Zuleitungen eintreten, Außengewinde 42 zur Befestigung der Näherungssensoren am Einsatzort auf. Der GMR-Sensor 1 ist bei beiden Näherungssensoren X sichtbar, der Kontrast der Aufnahme reicht jedoch nicht aus, um den Permanentmagneten 2 oder das Substrat 3 zu erkennen.
Die Abschirmung 4 des linken in Figur 2 gezeigten Näherungssensors besteht aus Messing, die Abschirmung 4 des rechten in Figur 2 gezeigten Näherungssensors besteht aus Baustahl
S235. Figur 3 ist eine Fotografie eines erfindungsgemäßen Magnetlagers in Aufsicht. Konzentrisch zu einem Basisträger 10, der aus zwei übereinander liegenden Metallringen besteht, ist ein Luftspaltrohr 11 angeordnet, in dem sich der Rotor 12 befindet. Das Magnetlager ist radial aktiv geregelt. Als Stellglieder in dieser Regelung dienen vier elektromagnetische Spulen 13, die entlang des Innenumfangs des Basisträgers 10 verteilt sind. Die Spulen 13 einschließlich der Polschuhe, auf die sie gesteckt sind, bilden den Stator des Magnetlagers. Der Stator enthält zusätzlich auch Permanentmagnete; diese sind in Figur 3 nicht zu sehen. Sie sind für das Funktionieren des Magnetlagers nicht zwingend erforderlich, sondern geben einen Standardwert für die magnetische Flussdichte vor, der durch die Spulen 13 dann verringert oder ver- stärkt werden kann. Je näher dieser Standardwert am Durchschnittswert der magnetischen Flussdichte liegt, die während des Betriebs des Magnetlagers benötigt wird, desto weniger Strom wird für den Betrieb der Spulen 13 benötigt. Dadurch wird eine Erwärmung des Magnetlagers vorteilhaft minimiert.
Zwischen jeweils zwei Spulen 13 ist ein erfindungsgemäßer Näherungssensor X angeordnet, von dem jeweils nur die Abschirmung 4 zu sehen ist. Während die Abschirmung 4 bei den in Figur 2 gezeigten Sensoren zylindrisch ist, ist sie hier quaderförmig. Dies hat keinen wesentlichen Einfluss auf die Funktion der Sensoren, jedoch sind quaderförmige Sensoren einfacher zu befestigen, hier mit einer Madenschraube.
Die Vorzugsachse des GMR-Sensors 1 eines jeden Näherungssensors X zeigt auf die Dreh- achse des Rotors 12. Die Näherungssensoren X überwachen somit jeweils den Abstand des Rotors 12 zum jeweiligen Sensor X und damit auch zur Wandung des Luftspaltrohrs 11. Der Abstand des Rotors 12 zu jedem Näherungssensor X beträgt im Betrieb etwa 1 mm. Der Rotor kann bis zu einem Abstand von etwa 4 mm vor einem Näherungssensor X erfasst werden. Die Näherungssensoren X sind mit einer Auswerteeinheit verbunden, die die Differenz der Messsignale der Näherungssensoren X auswertet.
Figur 4 zeigt den Schaltungsaufbau eines GMR-Sensors 1. Der GMR-Sensor 1 besteht aus einer Brückenschaltung von vier identischen magnetfeldabhängigen Widerständen, von denen zwei magnetisch abgeschirmt sind und somit nicht mehr auf äußere Magnetfelder reagieren. Er hat vier Anschlüsse a, b, c und d. Der Anschluss a liegt an Versorgungsspannung U1n und der Anschluss b an Masse. Bei einem anliegenden Magnetfeld entsteht zwischen den Anschlüssen c und d ein Differenzsignal Uout- Für die Signalauswertung im in Figur 3 dargestellten Magnetlager werden die Differenzsignale in der Auswerteeinheit zunächst in massebezogene Signale umgewandelt. Diese Signale werden anschließend in einer mit Potentiometern justierbaren Korrekturschaltung, die herstellungsbedingte Unterschiede zwischen den Kennlinien nominell identischer GMR-Sensoren ausgleicht, aneinander angeglichen. Differenzen zwischen den solchermaßen angeglichenen Signalen zweier gegenüber liegender Näherungssensoren X sind dann jeweils ein Maß für die Position des Rotors 12 auf der Verbindungsachse zwischen diesen beiden Sensoren. Hieraus wird die Position des Rotors 12 auf der Achse zwischen zwei gegenüber liegenden Spulen 13 mit einer weiteren analogen Schaltung errechnet, indem die Differenzsignale der beiden Sen- sorpaare addiert bzw. subtrahiert werden. Die Verbindungsachsen zwischen den Näherungssensoren X schließen mit den Achsen zwischen gegenüber liegenden Spulen 13 einen Winkel von 45 Grad ein.
Die Korrekturschaltung in der Auswerteeinheit ist in diesem Ausführungsbeispiel so eingestellt, dass jeder GMR-Sensor 1 und damit auch jeder Näherungssensor X ein Signal zwischen 0 und 1 Volt liefert. Durch die Umrechnung auf die Achse zwischen zwei gegenüber liegenden Spulen 13 entsteht hieraus ein Signal zwischen — V 2 und + V 2 Volt.
Induktive und Wirbelstromsensoren, die üblicherweise eine Trägerfrequenz von 1 MHz haben, können auf Grund des Skineffekts den Rotor 12 nicht durch das Luftspaltrohr hindurch erkennen.
Figur 5 zeigt die Abstandskennlinie des ersten Prototyps des erfindungsgemäßen Näherungssensors. Dieser Prototyp enthält einen GMR-Sensor 1 des Typs NVE-AA 004-02 mit einer Sättigungsflussdichte von 3,5 mT und einen auf dessen IC-Gehäuse geklebten Permanentmagneten 2. Der Permanentmagnet ist 5 mm x 5 mm x 2 mm groß und hat einen Magnetisierungsgrad von N38, was einer remanenten Flussdichte von etwa 1,2 T entspricht. Dies ist et- wa das 340-Fache der Sättigungsflussdichte des GMR-Sensors 1. Der GMR-Sensor ist in dieser Anordnung funktionsfähig, weil seine Vorzugsrichtung senkrecht auf der Feldrichtung des Permanentmagneten 2 steht.
In Figur 5 ist die Ausgangsspannung Uout des GMR-Sensors als Funktion des Abstandes des Nährungssensors zu einem Stück Baustahl S235 aufgetragen, das hier als permeabler Gegen- stand 5 fungiert. Das Stück Baustahl wurde dem Näherungssensor entlang der Vorzugsachse des GMR-Sensors 1 sukzessive genähert. Bereits ab einem Abstand von 5 mm vermag der Näherungssensor die Anwesenheit des Baustahls zu registrieren. Sodann beschleunigt sich der Anstieg von Uout mit abnehmendem Abstand, bis er sich unterhalb eines Abstandes von etwa 1 ,5 mm wieder verlangsamt.
Figur 6 zeigt Abstandskennlinien zweier verschiedener erfindungsgemäßer Näherungssenso- ren 1 und 2. Bei beiden Sensoren umgibt eine Abschirmung aus Messing, die in Richtung der Vorzugsachse des GMR-Sensors 1 gesehen eine Aussparung aufweist, den GMR-Sensor 1 und den Permanentmagneten 2. Aufgetragen ist jeweils das Messsignal des Näherungssensors in Abhängigkeit des Abstands zum Ende einer Mikrometerschraube, die zugleich als ferro- magnetischer Gegenstand 5 und als Messinstrument für den Abstand zu diesem Gegenstand dient. In der Legende geben die Zahlen 1 und 2 an, ob es sich um den ersten oder um den zweiten Sensor handelt. Die Zeichen + und - geben in der Legende an, ob der Abstand zum Ende der Mikrometerschraube bei der Messung gerade erhöht oder verringert wird. Für jeden Sensor ist somit eine Abweichung zwischen seinen mit „+" und „-" bezeichneten Kurven ein Maß dafür, in welchem Maße die Messung durch Hystereseeffekte beeinflusst wird.
Es zeigt sich, dass die Kennlinien der beiden Näherungssensoren deutlich voneinander abweichen. Dies ist zum Einen durch herstellungsbedingte Abweichungen der Kennlinien nominell identischer GMR-Sensoren 1 bedingt und zum Anderen durch Schwankungen bei der hier noch manuellen Vereinigung von GMR-Sensor 1 und Permanentmagnet 2 zu einem Nähe- rungssensor. So hängt die Kennlinie beispielsweise empfindlich von der Positionierung des Permanentmagneten 2 relativ zum GMR-Sensor 1 ab.
Die Kurve ,,2Kl" verdeutlicht, wie mit der oben genannten Korrekturschaltung in der Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Anordnung die Kennlinie des zweiten Näherungssensors an die des ersten Näherungssensors angepasst werden kann. Dazu wird die Kennlinie des zweiten Näherungssensors mit einem konstanten Faktor multipliziert, und es wird ein konstanter Offset zu ihr addiert. In einem Abstandsbereich zwischen etwa 0,4 und etwa 1 ,0 mm lässt sich eine gute Übereinstimmung der beiden Kennlinien erzielen.
Wird die Abschirmung 4 aus Messing durch eine aus ferromagnetischem Stahl ersetzt, so nimmt die Signalstärke deutlich ab, da ein größerer Anteil des magnetischen Flusses des Per- manentmagneten 2 durch die Abschirmung 4 kurzgeschlossen wird und nicht mehr zum Messsignal beiträgt. Im Gegenzug wird die Messung unempfindlicher gegen äußere Störungen.
Obwohl, wie zuvor gesehen, die Abstandskennlinie eines jeden Näherungssensors hyperbolisch ist, ist die Differenz zwischen den Signalen zweier Näherungssensoren in guter Nähe- rung linear, sofern wie oben beschrieben die herstellungsbedingten Unterschiede zwischen den Näherungssensoren ausgeglichen wurden. Experimentell konnte eine Anordnung realisiert werden, in der die Differenz über einen Abstandsbereich von 1 mm hinweg linear ist. Für die Anwendung in einem Magnetlager muss die Differenz nicht über den gesamten mechanischen Bewegungsbereich des Rotors linear sein. Es reicht aus, wenn sie um die angestrebte Ruhelage des Magnetlagers herum linear ist. Es ist für eine aktive Regelung des Magnetlagers wichtig, dass die Differenz zwischen den Signalen zweier Näherungssensoren gerade in diesem Bereich linear ist. Nichtlineare Effekte führen zu Oberwellen und daher zu Schwingungen der Regelung. Mit der experimentell realisierten Anordnung konnte das Magnetlager, dessen Ruhelage a priori instabil ist, erfolgreich zum Hängen (Schweben) gebracht werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Näherungssensor zur Erkennung eines magnetisch permeablen, insbesondere ferromag- netischen Gegenstands, umfassend mindestens einen Magnetfeldsensor mit einer Vorzugsachse und mindestens eine Magnetfeldquelle zur Beaufschlagung des Magnetfeldsensors mit einer Feldkomponente senkrecht zu der Vorzugsachse, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor zur Erkennung eines Gegenstands ausgebildet ist, der auf der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors liegt.
2. Näherungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzugsachse des Magnetfeldsensors und die Feldrichtung der Magnetfeldquelle einen Winkel zwischen 70 und 110 Grad, bevorzugt von 90 Grad, einschließen.
3. Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzugsachse des Magnetfeldsensors mit einer Grenzfläche des Magnetfeldsensors einen Winkel zwischen 70 und 110 Grad, bevorzugt von 90 Grad, einschließt.
4. Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen magne- toresistiven Magnetfeldsensor.
5. Näherungssensor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen GMR-Sensor als Magnetfeldsensor.
6. Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Magnetfeldquelle, die eine Feldstärke von 0,5 Tesla oder mehr, bevorzugt von 1 Tesla oder mehr, an mindestens einem Ort innerhalb des Magnetfeldsensors zu erzeugen vermag.
7. Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mindestens einen Permanentmagneten als Magnetfeldquelle.
8. Näherungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Permanentmagnet eine Verbindung enthält, die mindestens ein ferromagnetisches Metall und mindestens ein Seltenerdmetall umfasst.
9. Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass min- 5 destens ein Magnetfeldsensor und mindestens eine Magnetfeldquelle auf unterschiedlichen Seiten eines Substrates angeordnet sind.
10. Näherungssensor nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Substrat enthaltend Silizium.
11. Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 0 dadurch gekennzeichnet, dass er als integrierte Schaltung ausgebildet ist.
12. Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1, gekennzeichnet durch eine den Magnetfeldsensor und die Magnetfeldquelle umgebende Abschirmung aus einem magnetisch permeablen, insbesondere ferromagnetischen Material, welche in Richtung der Vor-5 zugsachse des Magnetfeldsensors gesehen eine Aussparung aufweist.
13. Anordnung aus mindestens zwei Näherungssensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit, welche die Differenz der Messsignale der Näherungssensoren zu bestimmen vermag.
14. Magnetlager, umfassend einen Stator und einen Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass o mindestens ein Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder mindestens eine Anordnung nach Anspruch 13 relativ zum Stator fixiert angeordnet ist.
PCT/DE2009/000021 2008-02-14 2009-01-10 Magnetischer näherungssensor WO2009100697A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200810008830 DE102008008830A1 (de) 2008-02-14 2008-02-14 Magnetischer Näherungssensor
DE102008008830.7 2008-02-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009100697A1 true WO2009100697A1 (de) 2009-08-20

Family

ID=40637769

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2009/000021 WO2009100697A1 (de) 2008-02-14 2009-01-10 Magnetischer näherungssensor

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102008008830A1 (de)
WO (1) WO2009100697A1 (de)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0266585A1 (de) * 1986-10-14 1988-05-11 NAVSAT GmbH Drehzahlmessvorrichtung, insbesondere für Antiblockiervorrichtungen für Fahrzeuge, mit magnetoresistivem Sensor
EP0578261A1 (de) * 1992-07-09 1994-01-12 Siemens Aktiengesellschaft Näherungsschalter mit einem Magnetfeld-Sensor
FR2775772A1 (fr) * 1998-03-06 1999-09-10 Crouzet Automatismes Detecteur de proximite utilisant des magnetoresistances
US20030112158A1 (en) * 2001-11-05 2003-06-19 Babin Brian George Miniature magnetic device package
DE10354444A1 (de) * 2002-11-21 2004-06-03 Denso Corp., Kariya Vorrichtung mit magnetischer Impedanz, die gleiche verwendende Sensorvorrichtung und Verfahren zum Herstellen der Gleichen
US6937010B1 (en) * 2004-06-15 2005-08-30 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Magnetic detector
US20070120555A1 (en) * 2005-11-28 2007-05-31 Denso Corporation Magnetic sensor

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS576962Y2 (de) * 1974-07-26 1982-02-09
US4039936A (en) * 1976-04-05 1977-08-02 International Business Machines Corporation Interleaved magnetoresistive displacement transducers
DE3605179A1 (de) 1986-02-19 1987-08-20 Standard Elektrik Lorenz Ag Naeherungssensor
DE4227831A1 (de) 1992-07-09 1994-01-13 Siemens Ag Näherungsschalter mit einem Magnetfeld-Sensor
JPH11304415A (ja) * 1998-04-23 1999-11-05 Mitsubishi Electric Corp 磁気検出装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0266585A1 (de) * 1986-10-14 1988-05-11 NAVSAT GmbH Drehzahlmessvorrichtung, insbesondere für Antiblockiervorrichtungen für Fahrzeuge, mit magnetoresistivem Sensor
EP0578261A1 (de) * 1992-07-09 1994-01-12 Siemens Aktiengesellschaft Näherungsschalter mit einem Magnetfeld-Sensor
FR2775772A1 (fr) * 1998-03-06 1999-09-10 Crouzet Automatismes Detecteur de proximite utilisant des magnetoresistances
US20030112158A1 (en) * 2001-11-05 2003-06-19 Babin Brian George Miniature magnetic device package
DE10354444A1 (de) * 2002-11-21 2004-06-03 Denso Corp., Kariya Vorrichtung mit magnetischer Impedanz, die gleiche verwendende Sensorvorrichtung und Verfahren zum Herstellen der Gleichen
US6937010B1 (en) * 2004-06-15 2005-08-30 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Magnetic detector
US20070120555A1 (en) * 2005-11-28 2007-05-31 Denso Corporation Magnetic sensor

Also Published As

Publication number Publication date
DE102008008830A1 (de) 2009-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3632624C1 (de) Stoerfeldunempfindlicher Naeherungsschalter
DE112014006465B4 (de) Magnetische Vorrichtung zur Positionserfassung und Verfahren zur magnetischen Positionserfassung
EP0857292B1 (de) Messvorrichtung zur berührungslosen erfassung eines drehwinkels
DE60100393T2 (de) Drehwinkelsensor mit linearer Ausgangscharakteristik
DE102016103325A1 (de) Magnetischer Winkelpositionssensor
DE3638622C2 (de)
EP2515084B1 (de) Verfahren für das Erfassen von Bewegungen eines Körpers mittels eines Segmentzählers und eines Feinpositionssensors
DE10009173A1 (de) Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines ferromagnetischen Gegenstandes
DE10210184A1 (de) Anordnung zum Bestimmen der Position eines Bewegungsgeberelements
EP3075061A2 (de) Sensoranordnung und magnetisierungsvorrichtung sowie verwendung der sensoranordnung in einem kraftfahrzeugsteuergerät
DE3411773A1 (de) Vorrichtung zur erfassung der drehzahl und/oder eines drehwinkels einer welle
WO2007014599A1 (de) Vorrichtung zur detektion von umdrehungen einer lenkwelle
DE102010031142A1 (de) Erfassung eines metallischen oder magnetischen Objekts
DE102010011723B4 (de) Sensoranordnung und Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung
DE102016102828B4 (de) Magnetische Winkelsensorvorrichtung und Verfahren
DE102021126775A1 (de) Null-gauss-magnet für differentielle, verdrehungsunempfindliche magnetische geschwindigkeitssensoren
DE10138908A1 (de) Magnetische Erfassungsvorrichtung
DE4123131A1 (de) Verfahren und anordnung zur bereitstellung eines, von einem drehwinkel linear abhaengigen, elektrischen ausgangssignals
DE4418151B4 (de) Magnetfeldsensoranordnung
DE102015013022A1 (de) Magnetfeldmessvorrichtung
DE102007053881B4 (de) Messverfahren und Messvorrichtung zur induktiven Winkel- und/oder Positionsbestimmung
DE102015122812A1 (de) Aufmagnetisieranordnung, Magnetisiervorrichtung und Verfahren zur Aufmagnetisierung eines eingebauten Werkstücks aus hartmagnetischem Material
WO2009100697A1 (de) Magnetischer näherungssensor
DE19850647A1 (de) Magnetdetektor
DE102009017355B4 (de) Aktiv geregeltes axiales Magnetlager

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09709745

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09709745

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1