DE19711781A1 - Vorrichtung zur Positionserfassung eines beweglich angeordneten Magneten zum Erzeugen eines magnetischen Feldes durch eine Wandung aus ferromagnetischem Material hindurch, insbesondere Stellantrieb mit bewegbarem Stellglied - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionserfassung eines beweglich angeordneten Magneten zum Erzeugen eines magnetischen Feldes durch eine Wandung aus ferromagnetischem Material hindurch, insbeson­ dere einen Stellantrieb mit einem hinter einer aus einem ferromagnetisch leitenden Material bestehenden Gehäusewand bewegbaren Stellglied.

Magnetische Sensoren dienen zur berührungslosen Erfassung bzw. Messung mechanische Größen wie Position, Weg, Abstand, Drehzahl oder Drehwinkel. Bei vielen Anwendungen wird der Sensor durch einen Dauermagneten angesteuert und setzt dann die Position dieses Magneten relativ zum Sensor­ element in ein elektrisches Signal um. Als Sensoren werden Magnetfeld­ sensoren, zum Beispiel Sättigungskernsonden, GMR, magnetoresistive Sensoren oder Hallelemente verwendet, die sowohl für die Ansteuerung mit Dauermagneten als auch für die Erfassung von Eisenteilen geeignet sind. Wirksam für die Ansteuerung des Positionssensors ist nur die Magnetfeld-Komponente parallel zur Sensorachse.

Durch die EP 0 457 762 A ist ein Stellantrieb mit einem hinter einer Gehäuse­ wand bewegbaren Stellglied bekannt geworden, an dem eine Einrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes angebracht ist, und vor der Gehäuse­ wand des Stellantriebes sich ein Magnetfeldsensor befindet. Die Gehäusewand ist aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt, wobei die Feldlinien des magnetischen Feldes in der Gehäusewand einen zur Vorderseite der Gehäusewand abgeschirmten Hauptfluß bilden. Zur Erzeugung eines magne­ tischen Nebenflusses an der Vorderseite der Gehäusewand ist ein zwei Enden aufweisender magnetischer Leiter angeordnet, dessen erstes Ende der Gehäu­ sewand benachbart ist und dessen zweites Ende einen Luftspalt begrenzt, in welchem der Magnetfeldsensor angebracht ist. Gleichermaßen können auch zwei magnetische Leiter vorgesehen sein, deren zweite Enden unter Bildung des Luftspaltes einander gegenüberliegend angeordnet sind. Der Stellantrieb ist als hydraulischer Hochdruckzylinder mit einem mit einer Kolbenstange verbundenen Kolben als Stellglied ausgestaltet, wobei die Zylinderwand die Gehäusewand bildet und die Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Feldes als Dauermagnet ausgebildet ist. Ebenso wurde in dieser Literaturstelle schon vorgeschlagen, daß es denkbar wäre, eine Hallsonde unmittelbar auf der Außenseite der Zylinderwand anzuordnen und dann nur einen magne­ tischen Leiter vorzusehen, dessen zweites Ende die Rückseite der Hallsonde abdeckt, wobei ein Luftspalt zur Zylinderwand vorgesehen bleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb so zu verbessern, daß derselbe auch bei einer magnetisch abschirmenden Gehäusewand die Stellung des Stellgliedes auf einfache Weise mit einfachen Mitteln zu erfassen imstande ist.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einer Vorrichtung zur Positionserfassung eines beweglich angeordneten Magneten zum Erzeugen eines magnetischen Feldes durch eine Wandung aus ferromagnetischem Material hindurch, insbesondere Stellantrieb mit einem hinter einer aus einem ferromagnetisch leitenden Material bestehenden Gehäusewand bewegbaren, den Magneten tragendes Stellglied, wobei sich vor der Wandung ein Magnetfeldsensor befindet, und bei Bewegung des Magneten relativ zur Wandung die Feldlinien des magnetischen Feldes einen innerhalb der Wandung verlaufenden fortschreitenden Hauptfluß aufbauen, der in der Wandung eine magnetische Remanenz ausbildet, die nach Vorbeifahrt des Magneten erhalten bleibt und die entlang der Bewegungsachse des Magneten entsprechend der Polung des Magneten gerichtet ist und einen Streufluß zur Vorderseite der Wandung nach außerhalb derselben aufbaut, in dessen Bereich der Magnetfeldsensor angeordnet ist, wobei der Streufluß außerhalb der Gehäusewand in entgegengesetzter Richtung wie der Hauptfluß gerichtet ist, und der Magnetfeldsensor ein Magnetfeldsensorelement ist, das im geringen Abstand zur Wandung angeordnet ist und das die Feldrichtung des Streuflusses erfaßt und bei Vorbeifahrt des Magneten das Streufeld durch das magnetische Feld des Magneten überlagert wird und der Magnetfeldsensor die Änderung der Polarität des magnetischen Feldes zu registrieren imstande ist und aus dem Sensorsignal in einer nachgeschalteten Auswerteelektronik ein Schaltsignal abgeleitet wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Magnetfeldsensorelement ein magnetoresistiver Sensor und/oder eine Sättigungskernsonde und/oder ein Hallelement und/oder ein GMR-Sensor (Giant Magnetio Resistiv Sensor), wobei das Magnetfeldsensorelement direkt auf die Wandung aufgebracht ist.

Das Magnetfeldsensorelement ist in der Lage, das schwache, aus der Gehäuse­ wand austretende Streufeld ausreichend zu erfassen. Natürlich kann mit einer derartigen Anordnung auch das magnetische Feld eines Dauermag­ neten erfaßt werden. Eine Sättigungskernsonde besteht aus einer langen Spule, mit einem Kern aus hochpermeablen Material, zum Beispiel amor­ phen Metall; bei magnetischer Sättigung des Kerns verringert sich die Impedanz der Spule. Ein magnetoresistives Element ist ein Bauteil, welches aus einem magnetisch leitfähigen Material (Permalloystreifen) besteht, dessen Widerstand sich unter dem Einfluß eines äußeren Magnetfeldes verändert. GMR-Sensorelemente sind eine Weiterentwicklung des magnetoresistiven Sensorelements.

Vorzugsweise ist die Gehäusewand die Zylinderwand eines Zylinders und das Stellglied ein mit einer Kolbenstange verbundener Kolben, an dem oder der Kolbenstange die Einrichtung zum Erzeugen des magnetischen Feldes ange­ ordnet ist, die ein Dauermagneten ist, der mit einem oder mehreren Polringen in Verbindung steht, die der Zylinderwand gegenüberstehende Stirnflächen aufweisen zum Einleiten des magnetischen Feldes in die Zylinderwand.

Der oder die Polringe bestehen aus ferromagnetischem Material und der Dauermagnet kann ein Magnetring sein oder aus einer Mehrzahl von Magneten bestehen, der oder die in einem Aufnahmering aus einem nicht­ magnetisierbaren Material angeordnet ist, wobei der Aufnahmering am Kolben befestigt ist.

Jedem Sensorelement ist eine entsprechende Auswerteelektronik nachge­ schaltet zur Aufbereitung des Sensorsignals und zum Anschluß des Magnet­ feldsensors an eine SPS oder ein anderes Nachschaltgerät.

Zur besseren Auswertung des Streuflusses kann der Magnetfeldsensor in einer Vertiefung der Wandung bzw. der Gehäusewand des Stellantriebes angeordnet sein.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß im Unterschied zu dem bisher aufgebauten Prinzip der EP 0 457 762 A (Hallelement mit Fluß­ leitblechen) durch die spezifische Anordnung des Sensorelements und die Verbesserung der Elektronik auf die Flußleitbleche ganz verzichtet werden kann, da der magnetische Fluß direkt das Sensorelement durchsetzt, dessen Ausgangssignal in ein entsprechendes Schaltsignal umgewandelt wird.

Die Erfindung beruht auf der physikalischen Grundlage, daß die Gehäuse­ wand des Stellantriebs bzw. die Zylinderwand aus einem ferromagnetischen Material bestehen muß, wobei am Stellglied ein Magnetsystem befestigt sein muß, welches ein ausreichendes Magnetfeld erzeugt. Mit der Vorbeifahrt des Magneten bzw. des Magnetsystems des Stellgliedes am Magnetfeldsen­ sorelement findet eine Ausrichtung der magnetischen erregbaren Elemen­ tarmagnete statt, die als Remanenz innerhalb der Gehäusewand entsprechend dem Werkstoff derselben erhalten bleibt. Dabei werden die bisher ungeordneten Elementarmagnete in einen geordneten Zustand versetzt, was das Remanenz­ feld ausbildet. Dieses erzeugt ein mehr oder weniger schwaches Streufeld, welches aus der Oberfläche der Gehäusewand austritt, dessen Feldlinien entgegengesetzt der Richtung des Remanenzfeldes innerhalb der Gehäuse­ wand verlaufen. Der verbleibende Restmagnetismus innerhalb der Wandung bzw. Gehäusewand ist entsprechend der Polung des Magnetsystems des Stellgliedes gerichtet.

Der außen auf die Gehäusewand aufgesetzte Magnetfeldsensor greift den magnetischen Streufluß entlang der Gehäusewand ab. Dabei erfaßt der Magnetfeldsensor entweder nur das Feld der Remanenz oder sogar die Polarität, also die Feldrichtung der Remanenz. Nähert sich das Stellglied dem Magnetfeldsensor, dann erzeugt das starke Feld des Magnetsystems an der Außenwand der Gehäusewand ein Streufeld, das dem Feld des Remanenzfeld überlagert wird; der Magnetfeldsensor registriert die Änderung des Feldes.

Ein Beispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und anschließend beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Zylinderwand mit Kolbenstange und Kolben, der zum Erzeugen des magnetischen Feldes einen Dauer­ magneten aufweist

Fig. 2 in schematischer Darstellung das Remanzfeld innerhalb der Zylinderwand zusammen mit dem sich daraus ergebenden Streufeld sowie einen Magnetfeldsensor, der direkt auf die Zylinderwand aufgesetzt ist

Fig. 3 das sich innerhalb der Zylinderwand ausbildende und ändernde Magnetfeld beim erneuten Überfahren durch den Dauermagneten des Stellgliedes

Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung des Verlaufs der magnetischen Flußdichte an der Zylinderwand

Fig. 5 eine Mehrzahl von Magnetfeldsensoren, die zur Differenzmessung räumlich getrennt voneinander angeordnet sind

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Aufnahmering mit einer Mehrzahl von in äquidistanten Abständen angeordneten Magneten und

Fig. 7 einen Ausschnitt aus einer Zylinderwand mit einem Kolben aus nichtmagnetisierbarem Material sowie einer Schubstange, wobei an dem Kolben Polringe angeordnet sind, zwischen denen wenigstens einen Magnet gehaltert ist.

Gemäß der Fig. 1 besteht eine Gehäusewand 1, die eine Zylinderwand eines Kolben-Zylindersystems sein kann, aus einem ferromagnetischen Material mehr oder weniger großer magnetischer Härte. An der Zylinderwand 1 gleitet ein Stellglied 2, wie Kolben 8 mit Kolbenstange 16, die beide aus ferro­ magnetischem Material bestehen, wobei innerhalb des Kolbens peripher eine Dichtung 9 angeordnet ist, die ihrerseits aus nichtmagnetischem Material besteht. Der Kolben 8 trägt eine Halterung 4, wie einen Aufnahmering, aus nichtmagnetisierbarem Werkstoff, innerhalb der ein Dauermagnet 3 in Form eines Ringmagneten oder auch eines Einzelmagneten oder mehrere Einzel­ magnete angeordnet ist. Ein ferromagnetischer Polring 5 erstreckt sich vom Dauermagneten 3 zur Zylinderwand 1, wobei Stirnflächen des Polringes 5 der Zylinderwand 1 direkt gegenüberstehen zur Einleitung des magnetischen Feldes 6 in dieselbe.

Aus der Fig. 1 gehen des Weiteren zwei unterschiedlich formatierte Bereiche der Zylinderwand 1 hervor. Dort, wo der Kolben 8 mit dem Dauermagneten 3 vorbeigleitet, richten sich die Elementarmagnete 7 in gerichteter Weise aus, was durch die gleichgerichteten Pfeile mit der Bezugsziffer 7 gekennzeichnet ist. In den übrigen Bereichen der Zylinderwand 1 sind die Elementarmagnete 7' noch unformatiert, was durch die beliebig in sämtliche Richtungen ver­ laufenden Pfeile 7' gekennzeichnet ist. Die gesamte Anordnung ist vorzugs­ weise rotationssymmetrisch zur Mittelachse 15, wobei sich das Stellglied 2 in Richtung des Pfeils 14 bewegt.

Zur Funktion der Vorrichtung muß das Stellglied einmal den gesamten Hub des Stellantriebes durchfahren, wodurch die gesamte Gehäusewand magne­ tisch formatiert wird. Dabei werden die bisher ungeordneten Elementar­ magnete sämtlich in einen geordneten Zustand versetzt; man erhält ein Remanenzfeld. Der verbleibende Restmagnetismus ist entsprechend der Polung des Magnetsystems des Stellgliedes gerichtet.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß ein Magnetfeldsensor 10, der sich in einem Gehäuse 11 befindet, direkt von außen auf die Zylinderwand 1 aufgesetzt wird. Dieses Magnetfeldsensorelement 10 ist imstande, das sich aufgrund der Remanenz ausbildende Streufeld 12, welches aus der Oberfläche der Zylinder­ wand 1 austritt, direkt zu erfassen. Das Streufeld 12 ist dabei entgegengesetzt dem Remanzfeld 7 innerhalb des Zylinders gerichtet, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Der Magnetfeldsensor 10 besitzt elektrische Anschlüsse 13 zur Abnahme des erzeugten elektrischen Sensorsignals.

Aus Fig. 3 geht die Änderung des Magnetfeldes hervor beim erneuten Überfahren der Gehäusewand 1 durch das Stellglied 2 mitsamt dem Dauer­ magneten 3. Das Streufeld 12, welches sich innerhalb der Zylinderwand 1 gemäß der Fig. 2 ausgebildet hat, wird durch das Magnetfeld 6 des Dauermagneten 3 überfahren, so daß während der Zeitspanne des Über­ fahrens das Streufeld 12 durch das Magnetfeld 6 des Dauermagneten 3 über­ lagert wird. Der Magnetfeldsensor 11 ist imstande, die Änderung des Magnet­ feldes festzustellen und ein Sensorsignal abzugeben.

Fig. 4 zeigt als Beispiel in einer schaubildlichen Darstellung den Verlauf der magnetischen Flußdichte an der Gehäuse- bzw. Zylinderwand entlang der Längsachse. Je nach der Polung des Dauermagneten 3 erhält man zwei unterschiedliche Flußdichtekurven 17, 18. Innerhalb des schmalen Schalt­ bereichs 19 findet nun ein Schaltvorgang statt, in dem die Polarität des magnetischen Feldes innerhalb des Magnetfeldsensor 10 kurzzeitig umgekehrt wird, wobei der Magnetfeldsensor 10 die Änderung der Polarität des Feldes registriert. Die beiden Bereiche rechts und links skizzieren die Flußdichte im Remanenzfall. Befindet sich der Kolben 2 mit dem Dauermagneten 3 genau unter dem Magnetfeldsensor 10, so bewirkt die Änderung der magnetischen Flußdichte ein Ausgangssignal des Magnetfeldsensors 10 und damit das Durchschalten der Elektronik. Auf diese Weise erhält man außerhalb der Gehäusewand bzw. des Zylinders die Information über die Stellglied- bzw. die Kolbenposition.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung entsprechend der Fig. 3, wobei hier der Magnetfeldsensor 20 aus zwei räumlich voneinander getrennt angeordnete Magnetfeldsensorelementen 21, 21' besteht zur differentiellen Auswertung der magnetischen Flußdichteänderung und zur Erzeugung eines Differenzsignals.

Fig. 6 zeigt in Draufsicht einen Aufnahmering 22 aus nichtmagnetisier­ barem Material mit einer Mehrzahl von in äquidistanten Abständen angeordneten Magneten 23. In der Fig. 7 ist ein Ausschnitt aus einer Zylinderwand 29 mit einem Kolben 27 aus nichtmagnetisierbarem Material sowie mit einer Schubstange 28 gezeigt, wobei an dem Kolben 27 Polschuhe in Form von Polringen 25, 26 aus ferromagnetischem Material angeordnet sind, zwischen denen wenigstens ein Magnet 24 gehaltert ist. Die Fig. 6 kann auch einen Querschnitt in Richtung der Linie A-A durch Fig. 7 darstellen, wobei dann die Fig. 7 rotationssymmetrisch zu denken ist und die Polringe 25, 26 ebenfalls ringförmig umlaufen, und zwischen den Polringen 25, 26 in einer Querschnittsebene des Zylinders der Aufnahmering 22 der Fig. 7 sich befindet, der eine Mehrzahl von Magnete 23, 24, vorzugsweise in äquidistanten Abständen voneinander, aufweist. Der Aufnahmering 22 ist zwischen den ferromagnetischen Polschuhen 25, 26 dergestalt angeordnet, daß die Nord- bzw. Südpole der Magnete 23, 24 den Polschuhen direkt gegenüberstehen oder diese berühren, so daß die Magnete 23, 24 das magnetische Feld direkt in die Polringe 25, 26 einspeisen.

Bezugszeichenliste

1

,

29

Gehäuse- oder Zylinderwand

2

Stellglied

3

,

23

,

24

Magnete oder Dauermagnete

4

Halterung

5

,

25

,

26

Polringe

6

magnetische Feldlinien

7

,

7

' Elementarmagnete

8

,

27

Kolben

9

Dichtung

10

,

11

Magnetfeldsensor

12

Streufeld

13

elektrische Anschlüsse

14

Pfeilrichtung

15

Mittelachse

16

Kolbenstange

17

,

18

Flußdichtekurven

19

Schaltbereich

20

Magnetfeldsensor

21

,

21

' Magnetfeldsensorelemente

22

Aufnahmering

28

Schubstange

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Positionserfassung eines beweglich angeordneten Mag­ neten (3, 23, 24) zum Erzeugen eines magnetischen Feldes durch eine Wandung (1, 29) aus ferromagnetischem Material hindurch, insbesondere Stellantrieb mit einem hinter einer aus einem ferromagnetisch leitenden Material bestehenden Gehäusewand (1, 29) bewegbaren, den Magneten (3, 23, 24) tragen­ des Stellglied (2, 27), wobei sich vor der Wandung (1, 29) ein Magnetfeldsensor (10, 21, 21') befindet, und bei Bewegung des Magneten (3, 23, 24) relativ zur Wandung (1, 29) die Feldlinien (6) des magnetischen Feldes einen innerhalb der Wandung (1, 29) verlaufenden fortschreitenden Hauptfluß (6) aufbauen, der in der Wandung (1, 29) eine magnetische Remanenz (7) ausbildet, die nach Vorbeifahrt des Magneten (3, 23, 24) erhalten bleibt und die entlang der Bewe­ gungsachse des Magneten (3, 23, 24) entsprechend der Polung des Magneten (3, 23, 24) gerichtet ist und einen Streufluß (12) zur Vorderseite der Wandung (1, 29) nach außerhalb derselben aufbaut, in dessen Bereich der Magnetfeld­ sensor (10, 21, 21') angeordnet ist, wobei der Streufluß (12) außerhalb der Gehäusewand (1, 29) in entgegengesetzter Richtung wie der Hauptfluß (6) gerichtet ist, und der Magnetfeldsensor ein Magnetfeldsensorelement (10, 21, 21') ist, das im geringen Abstand zur Wandung (1, 29) angeordnet ist und das die Feldrichtung des Streuflusses (12) erfaßt und bei Vorbeifahrt des Magneten (3, 23, 24) das Streufeld durch das magnetische Feld (6) des Magneten (3, 23, 24) überlagert wird und der Magnetfeldsensor (10, 21, 21') die Änderung der Polarität des magnetischen Feldes zu registrieren imstande ist und aus dem Sensorsignal in einer nachgeschalteten Auswerteelektronik ein Schaltsignal abgeleitet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeldsensorelement (10, 21, 21') zum Beispiel ein magneto­ resistiver Sensor und/oder eine Sättigungskernsonde und/oder ein Hallelement und/oder ein GMR-Sensor und/oder eine Feldplatte ist, wobei das Magnetfeld­ sensorelement (10, 21, 21') direkt auf die Wandung (1, 29) aufgebracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewand (1, 29) die Zylinderwand eines Zylinders und das Stellglied (2) ein mit einer Kolbenstange (16, 28) verbundener Kolben (8, 27) aus ferromagnetischem Material ist, an dem oder der Kolbenstange ein Magnet (3, 23, 24) angeordnet ist, der ein Dauermagnet ist, der mit einem Polring (5, 25, 26) aus ferromagnetischem Material in Verbindung steht, der der Zylinderwand (1) gegenüberstehende Stirnflächen aufweist zum Einleiten des magnetischen Feldes in die Zylinderwand (1, 29).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Polring (5) aus ferromagnetischem Material besteht und der Dauermagnet (3) ein Magnetring ist, der in einem Aufnahmering (4) aus einem nichtmagnetisierbaren Material angeordnet ist, wobei der Aufnahme­ ring am Kolben befestigt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (10, 21, 21') in einer Vertiefung der Gehäusewand (1, 29) des Stellantriebes angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Polring aus weichmagnetischem Stahl besteht und mehrere Dauer­ magnete (23), zum Beispiel in zylindrischer Bauform, in einem Aufnahmering (22) aus nichtmagnetisierbarem Material aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (27) und gegebenenfalls die Kolbenstange (28) des Stellantriebs aus nichtmagnetisierbarem Material, zum Beispiel Messing, bestehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (20) aus mehreren räumlich unterschiedlich angeordneten Magnetfeldsensorelementen (21, 21') besteht zur differentiellen Auswertung der magnetischen Flußdichteänderung und zur Erzeugung eines Differenzsignals.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Kolben (27) Polschuhe (25, 26) aus weichmagnetischem oder ferromag­ netischem Material angeordnet sind, zwischen denen wenigstens ein Magnet (24) gehaltert ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (25, 26) ringförmig umlaufen und eine Mehrzahl von Magnete (23, 24) zwischen diesen Polringen (25, 26) in einer Querschnittsebene des Zylinders (29) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (23, 24) in einem Aufnahmering (22) aus nichtmagnetisier­ barem Material angeordnet sind und vorzugsweise äquidistante Abstände voneinander haben, wobei der Aufnahmering (22) zwischen den ferromag­ netischen Polringen (25, 26) dergestalt angeordnet ist, daß die Nord- bzw. Südpole der Magnete (23, 24) den Polringen (25, 26) direkt gegenüberstehen oder diese berühren.