DE19803018C2 - Magnetischer Meßwertaufnehmer - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft einen magnetischer Meßwertaufnehmer, insbesondere zur be­ rührungsfreien magnetischen Positionserfassung eines magnetischen oder magnetisch- permeablen Geberelements, mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger magnetischer Meßwertaufnehmer ist aus der DE 32 18 298 A1 bekannt. Magnetische Meßwertaufnehmer werden z. B. für Dreh- bzw. Lineargebersysteme zur Erfassung der Position eines Geberelements in Form eines Maßstabs oder einer Schaltfahne aus weichmagnetischem Material, wie z. B. einer Zahnstange, einem Zahn­ rad oder anderen Metallteilen, verwendet. Das Geberelement kann jedoch auch selbst magnetisch aktiv sein, d. h. es kann beispielsweise ein Permanentmagnet oder eine de­ finierte Anordnung von Permanentmagneten sein. Das Meßprinzip derartiger magneti­ scher Meßwertaufnehmer beruht auf einer durch das magnetfeldempfindliche Sensore­ lement detektierten Veränderung des Magnetfelds oder des magnetischen Flusses, wenn das Geberelement entweder mit dem einen oder dem anderen Magneten einen geschlossenen magnetischen Ring bildet.

In Fig. 1 ist ein nach dem Stand der Technik, z. B. der DE 43 27 796 C2, bekannter ma­ gnetischer Meßwertaufnehmer gezeigt. Ein Permanentmagnet 11, dessen Magnetisie­ rungsrichtung beispielhaft durch den Pfeil angezeigt ist, grenzt an seinen Polflächen je­ weils an einen Flußleiter 13 und 14. Auf dem Flußleiter 13 ist ein magnetfeldempfindli­ cher Sensor 12 angeordnet. Das auf den magnetfeldempfindlichen Sensor 12 einwir­ kende Magnetfeld ist im wesentlichen durch das in der Nähe des magnetischen Nord­ pols des Permanentmagneten herrschende Magnetfeld bestimmt. Aufgrund der räumli­ chen Gegebenheiten dieser Anordnung ist bei gegebenem Permanentmagneten, des­ sen Materialeigenschaften, Magnetisierung und Geometrie eine Veränderung des auf den Sensor einwirkenden Magnetfelds zur Einstellung dessen Arbeitspunkts nur sehr beschränkt über die Auswahl und Dimensionierung der Flußleiter 13 und 14 möglich.

Daher ist eine Einstellung des Arbeitspunkts des magnetfeldempfindlichen Elements nur in sehr beschränktem Maße möglich, wodurch das Betriebsverhalten, die individuelle Anpaßbarkeit an das Geberelement und somit die Vielfalt in den Einsatzmöglichkeiten des magnetischen Meßwertaufnehmers ein­ geschränkt wird.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen magnetischen Meßwertauf­ nehmer der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine Magnetfeldanpassung zur Einstellung des Arbeitspunkts des magnetfeldempfindlichen Sensorelements in weiten Be­ reichen möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen gattungsgemäßen magnetischen Meßwertaufnehmer, der sich auszeichnet durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 ge­ nannten Merkmale. Dabei kann der Einfluß der zweiten Magnetfeldquelle auf das Sensor­ element im gleichen Größenbereich wie der der ersten Magnetfeldquelle sein. Damit läßt sich auf einfache Weise das für das Sensorelement effektive Feld beeinflussen, so daß dessen Ansprechverhalten durch definiertes Einstellen des Arbeitspunkts in bezug auf des­ sen magnetische Kennlinie optimiert werden kann. Dabei ist es insbesondere möglich, das Ansprechverhalten des Sensors an Eigenschaften des Geberelements wie seine Magneti­ sierung oder magnetische Permeabilität oder seinen Abstand vom Sensorelement anzu­ passen. Außerdem kann die Art der Anbringung des Meßwertaufnehmers z. B. als bündiger oder nichtbündiger Einbau in einer Halterung bei der Einstellung des Arbeitspunkts berück­ sichtigt werden.

Unter dem Begriff "Geberelement" wird ein beliebig gestaltetes Objekt verstanden, dessen Einfluß auf den Feldlinienverlauf durch den Sensor zu ermitteln ist. Das Geberelement ist somit im Sinne von "Schaltfahne", "Marke", "Maßstab", "zu vermessendes Objekt" zu ver­ stehen.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind sowohl die erste als auch zweite Magnetfeld­ quelle Permanentmagneten.

In einer alternativen Weiterbildung ist wenigstens eine der beiden Magnetfeldquellen eine Magnetfeldquelle mit veränderbarer Feldstärke, insbesondere in Form eines Elek­ tromagneten. In dieser Ausführungsform ist durch einfache elektrische Ansteuerung eine Einstellung und Nachregelung des Magnetfelds zur Einstellung des Arbeitspunkts des magnetfeldempfindlichen Sensors möglich.

Vorzugsweise ist das magnetfeldempfindliche Sensorelement eine Feldplatte, ein ma­ gnetoresistives Element oder ein Hall-Element.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung verwendet zwei oder mehr magnet­ feldempfindliche Sensorelemente, die bei geeigneter Verschaltung eine differentielle Meßwertaufnahme mit entsprechend erhöhter Empfindlichkeit ermöglichen.

Vorteilhafterweise findet der erfindungsgemäße magnetische Meßwertaufnehmer Ver­ wendung in einem magnetischen Schalter. Durch die individuelle Einstellbarkeit der Ma­ gnetfeldstärke am Ort des magnetfeldempfindlichen Sensorelements können bipolar schaltende magnetfeldempfindliche Sensorelemente zum Einsatz kommen. In diesem Fall ist es erforderlich, daß bei Annäherung des magnetischen oder magnetischperme­ ablen Geberelements das Magnetfeld am Ort des Sensorelements das Vorzeichen än­ dert.

Der erfindungsgemäße magnetische Meßwertaufnehmer besitzt allgemein den Vorteil, daß eine Positionserfassung des Geberelements berührungsfrei erfolgt, und daß zwi­ schen dem Meßwertaufnehmer und dem Geberelement vorhandende nichtmagnetische Materialien, z. B. nichtmagnetische Gehäuseteile oder Gefäßwände zur Aufnahme einer Flüssigkeit, die Meßwertaufnahme nicht beeinflussen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen in bezug auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Anordnung eines magnetischen Meßwertaufnehmers nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine schematische Anordnung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungs­ form;

Fig. 3 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform;

Fig. 4 eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform;

Fig. 5 eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform;

Fig. 6 eine fünfte erfindungsgemäße Ausführungsform;

Fig. 7 eine sechste erfindungsgemäße Ausführungsform;

Fig. 8 eine siebente erfindungsgemäße Ausführungsform;

Fig. 9 eine achte erfindungsgemäße Ausführungsform;

Fig. 10 ist eine Schemaskizze zur Erläuterung einer ersten Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers;

Fig. 11 ist eine grafische Darstellung, die eine Eichkurve für die durch die Fig. 12 ver­ anschaulichte erste Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Meß­ wertaufnehmers zeigt;

Fig. 12 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer zweiten mögli­ chen Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers;

Fig. 13 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer weiteren Ver­ wendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers;

Fig. 14 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer weiteren Ver­ wendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers;

Fig. 15 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer weiteren Ver­ wendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers; und

Fig. 16 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer weiteren Ver­ wendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers.

In Fig. 2 ist schematisch eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform gezeigt. Auf einem als Substratplatte wirkenden Flußleiter 24 sind nebeneinanderliegend eine erste Magnetfeldquelle 21 und zweite Magnetfeldquelle 25 angeordnet. Auf der ersten Magnet­ feldquelle 21 ist ein zweiter Flußleiter 23 angebracht, auf dem wiederum ein magnetfel­ dempfindliches Sensorelement 22 sitzt. Zwischen den beiden Magnetfeldquellen 21 und 25 ist ein Luftspalt vorgesehen. Durch die Pfeile ist eine Magnetisierungsrichtung der beiden Magnetfeldquellen 21 und 25 angezeigt, die vertikal zum Flußleiter 24 und in Richtung zum Flußleiter 23 bzw. zum magnetfeldempfindlichen Sensorelement 22 ver­ läuft. Bei Verwendung eines Permanentmagneten als Magnetfeldquelle 21 durchdringen somit die an der Endfläche, an der der Flußleiter 23 angeordnet ist, austretenden Feldli­ nien das magnetfeldempfindliche Sensorelement in einer ersten "positiven" Richtung, d. h. von der der Magnetfeldquelle 21 zugewandten (Unter-)Seite zu der der Magnetfeld­ quelle abgewandten Seite. Die zweite Magnetfeldquelle 25 besitzt eine zu der ersten Magnetfeldquelle 21 parallele Magnetisierung, wobei jedoch nunmehr die aus den Stirn­ flächen der zweiten Magnetfeldquelle 25 austretenden Feldlinien das magnetfeldemp­ findliche Sensorelement 22 in der umgekehrten Richtung durchdringen.

Die von der ersten Magnetfeldquelle 21 und der zweiten Magnetfeldquelle 25 erzeugten, sich überlagernden Magnetfelder führen am Ort des magnetfeldempfindlichen Sensore­ lements zu einem neuen effektiven Magnetfeld, das im Falle der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wesentlich geringer ist als das durch die erste Magnetfeldquelle 21 allein erzeugte erste Magnetfeld. Durch die Stärke der zweiten Magnetfeldquelle 25 und die Art bzw. Nähe ihrer Anordnung bezüglich der ersten Magnetfeldquelle 21 bzw. des magnetfeldempfindlichen Sensorelements 22 ist das effektive Magnetfeld am Ort des magnetfeldempfindlichen Sensorelements 22 steuerbar in bezug auf seine Stärke und auch Richtung.

Das magnetfeldempfindliche Sensorelement ist vorteilhafterweise an der ersten Magnet­ feldquelle (oder der zweiten Magnetfeldquelle) ggf. über den Flußleiter 23 und eventuelle weitere Elemente an oder in der Nähe von dessen Polfläche befestigt, könnte aber auch ohne Einschränkung der Funktionsfähigkeit der Erfindung an anderer Position innerhalb eines Bereichs der überlagerten ersten oder zweiten Magnetfelder mit oberhalb der Nachweisgrenze des Sensorelements liegender Stärke vorgesehen sein.

Als magnetfeldempfindliches Sensorelement kann z. B. ein magnetoresistives Element, eine Feldplatte oder ein Hall-Element verwendet werden. Ein magnetoresistives Element ist ein ferromagnetischer Widerstand, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von einem äußeren, in einer Ebene des Elements orientierten Magnetfeld ändert. Ein magne­ toresistives Element zeigt für große Werte des Magnetfelds ein Sättigungsverhalten, so daß das aus den beiden Magnetfeldquellen erzeugte effektive Magnetfeld und das durch das Geberelement erzeugte zusätzliche Magnetfeld bzw. die erzeugte Abwandlung auf den vorgegebenen Meßbereich des magnetoresitiven Elements abgestimmt sein müs­ sen.

Eine Feldplatte ist ein Halbleiterwiderstand, dessen Widerstandswert von dem senkrecht zur Elementebene orientierten magnetischen Fluß B (B = µ × H, wobei µ die magnetische Permeabilität und H die magnetische Feldstärke sind) abhängt. Eine Feldplatte zeigt bis zu sehr hohen magnetischen Flüssen keine Sättigung.

Ein Hall-Element ist eine Halbleitervorrichtung, die in Abhängigkeit von einer senkrecht zur Elementebene orientierten magnetischen Induktion B eine nahezu proportionale Spannung U erzeugt.

Als Magnetfeldquellen können einerseits Permanentmagneten mit fest vorgegebener Magnetisierung und andererseits Elektromagneten mit einstellbarer Magnetfeldstärke verwendet werden. Letztere bieten den Vorteil, daß die effektive Magnetfeldstärke am Ort des magnetfeldempfindlichen Sensorelements optimal für den vorgesehenen Ver­ wendungszweck bzw. die Art und Wirkung des Geberelements eingestellt werden kann.

Nachfolgend soll kurz die Funktion und Wirkungsweise des in Fig. 2 dargestellten ma­ gnetischen Meßwertaufnehmers erläutert werden.

Die beiden Magnetfeldquellen 21 und 25 erzeugen am Ort des magnetfeldempfindlichen Sensorelements 22 ein effektives Überlagerungsmagnetfeld. Durch die Flußleiter 23 und 24 wird das am Ort des Sensorelements 22 vorhandene effektive Magnetfeld je nach spezieller Ausbildung der Flußleiter verstärkt, homogenisiert und/oder lokal konzentriert. Bei Annäherung eines Geberelements an dem magnetischen Meßwertaufnehmer wird der magnetische Fluß bzw. das Magnetfeld der beiden Magnetfeldquellen gestört, wenn dieses aus weichmagnetischem (magnetisch permeablem) Material oder magnetischem Material hergestellt ist. Diese Störung führt am Ort des magnetfeldempfindlichen Sensor­ elements zu einer von diesem detektierten Änderung des magnetischen Flusses bzw. der magnetischen Feldstärke.

Der erfindungsgemäße magnetische Meßwertaufnehmer kann einerseits als Entfer­ nungsmesser und andererseits als Schalter dienen. Bei Entfernungsmessung wird aus dem Vorzeichen und der Stärke des vom magnetfeldempfindlichen Sensorelement aus­ gegebenen Meßsignals auf den Abstand und die Bewegungsrichtung des Geberele­ ments geschlossen. Bei Verwendung als magnetischem Schalter wird bei Erreichen ei­ nes bestimmten, vom magnetfeldempfindlichen Sensorelement ausgegebenen Schwell­ wert das Vorhandensein des Geberelements in der Nähe des erfindungsgemäßen ma­ gnetischen Meßwertaufnehmers erkannt.

In der Schalterfunktion ermöglicht der erfindungsgemäße magnetische Meßwertaufneh­ mer die Verwendung sowohl eines unipolar als auch eines bipolar schaltenden magnet­ feldempfindlichen Sensorselements.

Bei dem magnetischen Meßwertaufnehmer nach Fig. 2 ist beispielsweise die durch die zweite Magnetfeldquelle 25 erzeugte magnetische Feldstärke am Ort des magnetfel­ dempfindlichen Sensorelements 22 größer als die durch die erste Magnetfeldquelle er­ zeugte Feldstärke. Aufgrund der unterschiedlichen Vorzeichen der beiden magnetischen Felder am Ort des Sensorelements ist das effektive Überlagerungsfeld ein kleines Feld mit negativem Vorzeichen (d. h. der Magnetisierungsrichtung der ersten Magnetfeldquelle entgegengesetzt). Nähert sich z. B. ein Permanentmagnet als Geberelement dem Meß­ wertaufnehmer, so erfolgt am Ort des Sensorelements eine einfache vektorielle Überla­ gerung aller vorhandenen Magnetfelder. Bei Annäherung eines permeablen Geberele­ ments an den Meßwertaufnehmer versuchen die Feldlinien der Magnetfeldquellen 21 und 25 in das Geberelement einzudringen. Die daraus resultierenden Veränderungen des Verlaufs der Feldlinien der Magnetfeldquellen 21 und 25, insbesondere auch am Ort des Sensorelements 22, sind abhängig vom Abstand des Geberelements zum Meß­ wertaufnehmer, von der mechanischen Konstruktion des Geberelements, den magneti­ schen Materialparametern des Geberelements, z. B. wie der magnetischen Permeabilität, sowie dem Betrag und der Richtung der Geschwindigkeit des Geberelements relativ zum Meßwertaufnehmer. Verändert sich nur eine dieser Größen, von welchen die Verände­ rungen des Verlaufs der Feldlinien der Magnetfeldquellen 21 und 25 beim Vorhanden­ sein des Geberelements abhängig sind, so kann selbige absolut durch den diesbezüg­ lich geeichten Meßwertaufnehmer erfaßt werden. Je näher sich das Geberelement in bezug auf die eine oder andere Magnetfeldquelle befindet, um so stärker wird auch das Magnetfeld dieser Quelle beeinflußt, wodurch eine Veränderung des Magnetfelds bzw. Magnetflusses am Ort des Sensorelements erfolgt. Befindet sich z. B. ein magnetisch- permeables Geberelement in der Nähe des Nordpols der zweiten Magnetfeldquelle 25 (Fig. 2), wird eine starke Beeinflussung bzw. Veränderung im von der zweiten Magnet­ feldquelle 25 erzeugten zweiten Magnetfeld hervorgerufen, jedoch nur eine vergleichs­ weise kleine Störung im ersten Magnetfeld. Daher kann das anfänglich "negative" Über­ lagerungsfeld am Ort des magnetischen Sensorelements 22 das Vorzeichen ändern und einen "positiven" Wert annehmen. Eine gleichfalls "positive" Änderung des Überlage­ rungsfeldes am Ort des magnetischen Sensorelements 22 in Fig. 2 tritt offensichtlich ein, wenn bei konstantem Abstand des Geberelements zum Meßwertaufnehmer z. B. die geometrische Ausdehnung oder die magnetische Permeabilität des Geberelements zu­ nehmen.

Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen schematisch in den Fig. 3-11 dar­ gestellt und beschrieben. In den nachfolgenden Figuren werden für gleiche oder ähnli­ che Teile entsprechende, zur vorangehenden Ausführungsform jedoch jeweils um 10 erhöhte Bezugszeichen verwendet. Sämtliche nachfolgenden Ausführungsformen könnten zusätzliche, nicht dargestellte Flußleiter an den entsprechenden Polenden oder auch seitlich zu den gezeigten Magnetfeldquellen aufweisen.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen magnetischen Meß­ wertaufnehmers gezeigt. In dieser Ausführungsform sind die ersten und zweiten Magnet­ feldquellen jeweils als getrennte Bereiche 36 und 37 eines einheitlichen Permanentma­ gneten 31 ausgebildet. Der Permanetmagnet ist zur Schaffung der beiden Magnetfeld­ quellen mit den jeweils gewünschten magnetischen Feldstärken geeignet strukturiert und dimensioniert. Beispielsweise umfaßt der Permanentmagnet 31 der zweiten Ausfüh­ rungsform einen relativ dicken Bereich 37 zur Bildung der zweiten Magnetfeldquelle und geht über eine Stufe in den relativ dünnen Bereich 36 zur Bildung der ersten Magnet­ feldquelle über. Auf dem durch die Stufe gebildeten Absatz über dem Bereich 36 der ersten Magnetfeldquelle ist wieder ein Flußleiter 33 und ein magnetfeldempfindliches Sensorelement 32 angeordnet.

In Fig. 4 ist eine dritte Ausführungsform gezeigt, die zu der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ähnlich ist, wobei jedoch die Magnetisierungen einer ersten Magnet­ feldquelle 51 und einer zweiten Magnetfeldquelle 55 einen Winkel miteinander einschlie­ ßen. Auf der ersten Magnetfeldquelle 51 ist wieder ein Flußleiter 53 und das magnetfel­ dempfindliche Sensorelement 52 angeordnet.

In Fig. 5 ist eine vierte Ausführungsform des magnetischen Meßwertaufnehmers gezeigt. In der sechsten Ausführungsform sind eine erste Magnetfeldquelle 71, eine zweite Ma­ gnetfeldquelle 75 und eine dritte Magnetfeldquelle 78 vorhanden. In der sechsten Aus­ führungsform sind die drei Magnetfeldquellen jeweils über eine Luftspalt unter paralleler Ausrichtung ihrer Magnetisierungen angeordnet. Durch die unterschiedlichen Längen der drei Magnetfeldquellen wird die unterschiedliche Stärke der jeweiligen Magnetfelder zum Ausdruck gebracht. Die zweite und dritte Magnetfeldquelle 75 und 78 sind jeweils flankierend zur ersten Magnetfeldquelle, die einen Flußleiter 73 und ein magnetfeldemp­ findliches Element 72 trägt, unter Ausrichtung der Basispole angeordnet.

In Fig. 6 ist eine fünfte erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt, bei der ebenfalls eine erste Magnetfeldquelle 81, ein zweite Magnetfeldquelle 85 und eine dritte Magnet­ feldquelle 88 vorgesehen sind, wobei auf der ersten Magnetfeldquelle wieder ein Flußlei­ ter 83 und ein magnetfeldempfindliches Sensorelement 82 angeordnet sind. Diese Aus­ führungsform unterscheidet sich von der sechsten Ausführungsform dadurch, daß die Luftspalte zwischen den einzelnen Magnetfeldquellen unterschiedlich groß sind und die Basispole nicht auf einer gemeinsamen Ebene ausgerichtet sind.

In Fig. 7 ist eine sechste Ausführungsform gezeigt, die ebenfalls eine erste Magnetfeld­ quelle 91, eine zweite Magnetfeldquelle 95 und eine dritte Magnetfeldquelle 98 verwen­ det. In der achten Ausführungsform sind jedoch sowohl auf der ersten Magnetfeldquelle 91 als auch auf der zweiten Magnetfeldquelle 95 jeweils ein Flußleiter 93 bzw. 96 und ein erstes magnetfeldempfindliches Sensorelement 92 bzw. ein zweites magnetfeldempfind­ liches Sensorelement 99 angeordnet. Die dritte Magnetfeldquelle 98 ist zwischen den beiden Magnetfeldquellen 91 und 95 unter im wesentlichen gleicher Beabstandung und mit in einer Ebene ausgerichteten Basispolen angeordnet.

In Fig. 8 ist eine siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers mit einer ersten Magnetfeldquelle 101 und einer zweiten Magnetfeldquelle 105 gezeigt, wobei auf der ersten Magnetfeldquelle 101 ein Flußleiter 103 und darüber ein magnetfel­ dempfindliches Sensorelement 102 angeordnet sind. Zusätzlich zu der in Fig. 2 gezeig­ ten ersten Ausführungsform ist ein zweites magnetfeldempfindliches Sensorelement 109 im Abstand entlang der Magnetisierungsrichtung der ersten Magnetfeldquelle 101 ange­ ordnet.

In Fig. 9 ist eine achte erfindungsgemäße Ausführungsform gezeigt, die sich von der neunten dadurch unterscheidet, daß ein erstes und zweites magnetfeldempfindliches Sensorelement 112 und 119, die auf einem Flußleiter 113 über einer ersten Magnetfeld­ quelle 111 angeordnet sind, quer zur Richtung der Magnetisierung der ersten Magnet­ feldquelle 111 im Abstand stehen. Wie bei der ersten Ausführungsform ist wieder seitlich neben der ersten Magnetfeldquelle 111 eine zweite Magnetfeldquelle 115 vorgesehen.

Sämtliche erfindungsgemäßen Ausführungsformen bieten den Vorteil, daß durch die Verwendung einer zweiten oder weiterer Magnetfeldquellen eine Anpassung des effekti­ ven Magnetfelds am Ort des magnetfeldempfindlichen Sensorelements durch Überlage­ rung der entsprechenden Magnetfelder durchführbar ist, wodurch die Flexibilität und Ein­ satzfähigkeit des erfindungsgemäßen magnetischen Meßwertaufnehmers gesteigert wird. Für die praktische Anwendung relevant ist auch der Umstand, daß mit der erfin­ dungsgemäßen Magnetanordnung unipolar schaltende Sensorelemente mit vergleichs­ weise kleinen Werten für das Ein- und Ausschalten genutzt werden können. Insbesonde­ re ist eine Verwendung des erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers als magnetischer Schalter vorteilhaft, der bipolar schaltende Sensorelemente verwenden kann.

Der erfindungsgemäße Meßwertaufnehmer eignet sich jedoch vorzüglich auch für eine große Anzahl weiterer Anwendungen. Beispiele für weitere Verwendungsmöglichkeiten, die durch die Fig. 10 bis 16 schematisch veranschaulicht sind, werden nachfolgend beschrieben.

In Fig. 10 veranschaulicht eine Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Meß­ wertaufnehmers als Positionssensor bzw. als Abstandsmeßvorrichtung zur berührungs­ freien Ermittlung eines Abstands d eines Geberelements 2 von dem erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmer. Bei Verwendung als Positionssensor wird der Arbeitspunkt des Meßwertaufnehmers so eingestellt, daß die Anwesenheit des Geberelements aus ma­ gnetischem oder magnetisch-permeablem Material ab einem Mindestabstand d von dem Meßwertaufnehmer festgestellt wird. Das Schaltverhalten des Meßwertaufnehmers wird vorher in Abhängigkeit vom Geberelement und vom Abstand d eingestellt. Befindet sich zwischen dem Meßwertaufnehmer und dem Geberelement ein nichtmagnetisches Medi­ um, so hat dies keinen Einfluß auf den Meßvorgang.

Bei Verwendung des Meßwertaufnehmers als Abstandssensor oder -meßvorrichtung kann, wie in Fig. 10 gezeigt, der absolute Abstand d des Geberelements gegenüber dem Meßwertaufnehmer gemessen werden, sofern der Meßwertaufnehmer diesbezüglich geeicht wurde. Ein Beispiel für eine Eichkurve ist in Fig. 11 gezeigt, in der die Stärke des von dem Sensorelement 22 ausgegebenen Signals in Abhängigkeit vom Abstand eines bestimmten Geberelements von dem Meßwertaufnehmer jeweils in beliebigen Einheiten dargestellt ist. Wie aus der Eichkurve der Fig. 11 zu entnehmen ist, existiert ein linearer Bereich, in dem die Signalstärke linear mit dem Abstand korreliert. Nach Ermittlung die­ ser Eichkurve kann aus dem vom Sensor 22 ausgegebenen Meßsignal der genaue Ab­ stand des Geberelements vom Meßwertaufnehmer zumindest im linearen Bereich der Eichkurve ermittelt werden, auch wenn der Meßpunkt nicht mit einem Meßpunkt der Eichkurve zusammenfällt. Auch hier gilt, daß das Vorhandensein eines nichtmagneti­ schen Mediums zwischen dem Meßwertaufnehmer und dem Geberelement keinen Ein­ fluß auf den Meßvorgang ausübt.

In Fig. 12 ist eine ähnliche Verwendung des erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers zur Messung der Dicke nichtmagnetischer Objekte schematisch dargestellt. Ähnlich wie bei der zuvor beschriebenen Abstandsmessung wird nun die Dicke eines nichtmagneti­ schen Objekts 3, an dem das Geberelement 2 auf der dem Sensor 22 gegenüberliegen­ den Seite anliegt, durch eine Abstandsmessung des Geberelements vom Meßwertsen­ sor bestimmt.

In Fig. 13 ist eine weitere Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Meß­ wertaufnehmers als Sensor zur Positionserkennung des Geberelements durch eine ma­ gnetisch-permeable Wand hindurch skizziert. Befindet sich das magnetische oder ma­ gnetisch-permeable Geberelement in einem Mindestabstand d von dem Meßwertauf­ nehmer und befindet sich zwischen dem Geberelement und dem Meßwertaufnehmer die magnetisch-permeable Wand 7, so kann die Anwesenheit des Geberelements durch diese magnetisch-permeable Wand hindurch festgestellt werden, sofern die Magnetfeld­ quellen 21 und 25 derart dimensioniert sind, daß neben ihrer eigentlichen Funktion der Meßwertaufnehmer gleichzeitig noch eine magnetische Sättigung der magnetisch- permeablen Zwischenwand bewirkt wird. Das Schaltverhalten des Meßwertaufnehmers wird vorher in Abhängigkeit vom Geberelement, vom Mindestabstand d und der Dicke der magnetisch-permeablen Zwischenwand eingestellt. Befindet sich zusätzlich zwischen dem Meßwertaufnehmer, dem Geberelement und der magnetisch-permeablen Zwi­ schenwand ein nichtmagnetisches Medium, so hat dies keinen Einfluß auf den Meßvor­ gang.

In Fig. 14 ist eine weitere Verwendung des erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers als Formsensor zum Erkennen der geometrischen Form des magnetischen oder magne­ tisch-permeablen Geberelements veranschaulicht. Es werden als Beispiel 3 verschiede­ ne Geberelemente 4, 5 und 6 mit unterschiedlicher Form bzw. unterschiedlicher Dimen­ sionierung gezeigt, die bei ansonsten unveränderten Eigenschaften, d. h. gleichem Ma­ terial und konstantem Abstand vom Meßwertaufnehmer, unterschiedliche Signalhöhen erzeugen. Wiederum kann eine vorherige Eichung des Meßwertaufnehmers, d. h. eine Zuordnung bestimmter Signalhöhen zu den entsprechenden Geometrien und Dimensio­ nen des Geberelements durchgeführt werden, auf deren Grundlage die Form und Di­ mensionierung eines unbekannten Geberelements ermittelt werden kann. Das Geber­ element sollte sich dabei auf einer definierten Bahn am Meßwertaufnehmer vorbeibewe­ gen.

In Fig. 15 ist eine weitere Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Meß­ wertaufnehmers als Sensor zum Erkennen von magnetischen Diskontinuitäten in ma­ gnetischen oder magnetisch-permeablen Objekten veranschaulicht. Bei dieser Verwen­ dung können magnetische Diskontinuitäten 8 in ansonsten magnetischen oder magnet­ sich-permeablen Objekten 9 erfaßt werden, sofern sich die magnetischen Parameter, z. B. die magnetische Permeabilität, der Diskontinuitäten von den entsprechenden Wer­ ten des magnetischen oder magnetisch-permeablen Objekts unterscheiden und der Meßwertaufnehmer diesbezüglich geeicht wurde. Ein Beispiel für eine solche Diskontinui­ tät ist eine Schweißnaht.

Der erfindungsgemäße Meßwertaufnehmer kann wie in Fig. 16 gezeigt auch als Dicken­ sensor für ein magnetisch-permeables Objekt 18 verwendet werden. Durch entspre­ chende Dimensionierung der Magnetfeldquellen 21 und 25 kann mit dem erfindungsge­ mäßen Meßwertaufnehmer die Dicke d absolut gemessen werden, sofern der Meß­ wertaufnehmer analog zu der oben beschriebenen Abstandsmessung entsprechend geeicht ist. Befinden sich in dem zu vermessenden magnetisch-permeablen Objekt nichtmagnetische Einschlüsse, wie z. B. Poren, Risse oder Zwischenschichten 19, so haben diese keinen Einfluß auf das Meßergebnis, sofern deren geometrische Ausdeh­ nung entlang der Meßrichtung vernachlässigbar gegenüber der zu messenden Dicke d ist. Ebenfalls keinen Einfluß haben die genannten nichtmagnetischen Einschlüsse im zu vermessenden magnetisch-permeablen Objekt, wenn diese regelmäßig auftreten und bei der Eichung des Meßwertaufnehmers berücksichtigt werden können.

In Fig. 16 wird noch eine weitere Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers als Sensor zum Erkennen nichtmagnetischer Einschlüsse in ma­ gnetisch-permeablen Objekten veranschaulicht. Befinden sich innerhalb magnetisch- permeabler Objekte nichtmagnetische Einschlüsse, wie z. B. Poren, Risse oder Zwi­ schenschichten, z. B. bei Stapelung mehrerer magnetisch-permeabler Objekte, so kön­ nen diese durch den Meßwertaufnehmer erkannt werden, sofern wiederum der Meß­ wertaufnehmer diesbezüglich geeicht wurde.

Der erfindungsgemäße Meßwertaufnehmer kann weiter als Geschwindigkeitssensor verwendet werden. Die Geschwindigkeit eines elektrisch leitenden Geberelements, wel­ ches sich auf einer definierten Bahn am Meßwertaufnehmer vorbeibewegt, kann durch durch Wirbelstrom erzeugte Magnetfelder im Geberelement gemessen werden, sofern die Magnetfeldquellen 21 und 25 zur Wirbelstromerzeugung im Geberelement ausrei­ chend dimensioniert sind und der Meßwertaufnehmer entsprechend geeicht ist.

Weiter kann analog zu den vorherigen Verwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemä­ ße Meßwertaufnehmer als Materialsensor für ein homogenes Medium verwendet wer­ den, mit dem eine Materialeigenschaft des magnetischen Geberelements, d. h. die ma­ gnetische Suszeptibilität ermittelt werden kann.

Claims (26)

1. Magnetischer Meßwertaufnehmer, insbesondere zur berührungsfreien magne­ tischen Positionserfassung eines magnetischen oder magnetischpermeablen Geber­ elements, mit
einer ersten Magnetfeldquelle (21) zur Erzeugung eines Hauptmagnetfelds,
einer zweiten Magnetfeldquelle (25) zur Erzeugung eines Sekundärmagnetfelds, das dem Hauptmagnetfeld überlagert ist, und
einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement (22),
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste und zweite Magnetfeldquelle nebeneinanderliegend, mit im wesentlichen parallel ausgerichtete Polarisierungsrichtung angeordnet sind, und daß das Sen­ sorelement an einer Stelle im Bereich der sich überlagernden Magnetfelder vorgese­ hen ist, an der die Feldstärke des Hauptmagnetfelds durch das überlagerte Sekun­ därmagnetfeld geschwächt wird, wobei das Sensorelement (22) über einer gegen­ über der zweiten Magnetfeldquelle (25) zurückversetzten Polfläche der ersten Magnetfeldquelle (21) angeordnet ist.

2. Magnetischer Meßwertaufnehmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfeldempfindliche Sensorelement (22) auf einer Polfläche der ersten Magnetfeldquelle angebracht ist.

3. Magnetischer Meßwertaufnehmer gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste und zweite Magnetfeldquelle Permanentmagneten sind.

4. Magnetischer Meßwertaufnehmer gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Permanentmagneten ein Luftspalt vorhanden ist.

5. Magnetischer Meßwertaufnehmer gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste und zweite Magnetfeldquelle durch einen einstückig ausgebil­ deten Permanentmagneten gebildet werden, der zur Erzeugung des ersten und zweiten Magnetfelds jeweils Bereiche (36, 37) unterschiedlicher Dimension aufweist.

6. Magnetischer Meßwertaufnehmer gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens eine Magnetfeldquelle in der Stärke veränderbar ist.

7. Magnetischer Meßwertaufnehmer gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Stärke veränderbare Magnetfeldquelle ein Elektromagnet ist.

8. Magnetischer Meßwertaufnehmer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (22) eine Feldplatte ist.

9. Magnetischer Meßwertaufnehmer gemäß einem der Ansprüche 1-7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Sensorelement (22) ein magnetoresistives Element ist.

10. Magnetischer Meßwertaufnehmer gemäß einem der Ansprüche 1-7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Sensorelement (22) ein Hall-Element ist.

11. Magnetischer Meßwertaufnehmer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Flußleiter (23, 24) aus weichmagneti­ schem Material vorgesehen ist.

12. Magnetischer Meßwertaufnehmer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Sensorelemente (92, 99) vorgesehen sind.

13. Magnetischer Meßwertaufnehmer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Magnetfeldquelle (78) zur Erzeugung und Überlagerung eines dritten Magnetfelds vorgesehen ist.

14. Magnetischer Schalter mit einem magnetischen Meßwertaufnehmer gemäß einem der Ansprüche 1-13 und einem magnetischen oder magnetisch-permeablen Gebere­ lement.

15. Magnetischer Schalter gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement ein bipolar schaltendes Sensorelement ist.

16. Verwendung eines magnetischen Meßwertaufnehmers gemäß einem der Ansprü­ che 1-13 als Positionssensor zur Feststellung der Anwesenheit eines magnetischen oder magnetisch-permeablen Geberelements (2) in einem Mindestabstand (d) von dem Meßwertaufnehmer.

17. Verwendung eines Meßwertaufnehmers gemäß einem der Ansprüche 1-13 als Abstandssensor zur Bestimmung eines Abstands eines magnetischen oder magne­ tisch-permeablen Geberelements (2) von dem Meßwertaufnehmer.

18. Verwendung eines Meßwertaufnehmers gemäß einem der Ansprüche 1-13 als Sensor zur Positionserkennung eines magnetischen oder magnetisch-permeablen Geberelements durch eine magnetisch-permeable Wand hindurch.

19. Verwendung eines Meßwertaufnehmers gemäß einem der Ansprüche 1-13 als Dickensensor für nichtmagnetische Objekte, wobei das nichtmagnetische Objekt zwi­ schen einem magnetischen oder magnetisch-permeablen Geberelement unter vorge­ gebenen Abständen zwischen dem Meßwertaufnehmer und dem Geberelement an­ geordnet wird.

20. Verwendung eines magnetischen Meßwertaufnehmers gemäß Anspruch 1-13 als Dickensensor für magnetisch-permeable Objekte.

21. Verwendung eines magnetischen Meßwertaufnehmers gemäß einem der Ansprü­ che 1-13 als Sensor zum Erkennen nichtmagnetischer Einschlüsse in magnetisch- permeablen Objekten.

22. Verwendung eines magnetischen Meßwertaufnehmers gemäß einem der Ansprü­ che 1-13 als Sensor zum Erkennen von magnetischen Diskontinuitäten in magneti­ schen oder magnetisch-permeablen Objekten.

23. Verwendung eines magnetischen Meßwertaufnehmers gemäß einem der Ansprü­ che 1-13 als Formsensor zur Ermittlung der geometrischen Form und/oder Dimensio­ nierung eines magnetischen oder magnetisch-permeablen Geberelements.

24. Verwendung eines magnetischen Meßwertaufnehmers gemäß einem der Ansprü­ che 1-13 als Materialsensor zur Bestimmung der Materialeigenschaften eines Gebere­ lements.

25. Verwendung eines magnetischen Meßwertaufnehmers gemäß einem der Ansprü­ che 1-13 als Geschwindigkeitssensor, wobei wirbelstromerzeugte Magnetfelder in ei­ nem Geberelement gemessen werden.

26. Verwendung eines magnetischen Meßwertaufnehmers gemäß einem der Ansprü­ che 17-25, wobei eine Eichkurve unter Auftragung einer Signalstärke des von dem Sensorelement (22) ausgegebenen Signals in Abhängigkeit von der zu messenden Eigenschaft im voraus ermittelt wird.