DE4316520A1 - Abschirmbarer magnetischer Stellungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen abschirmbaren magnetischen Stellungssensor mit einem Sensorelement für ein Magnet­ feld, das relativ zu mindestens einem Magneten oder dem weichmagnetischen Rückschluß mindestens eines mit dem Sensorelement verbundenen Magneten bewegbar angeordnet ist.

Stellungssensoren sind beispielsweise aus der Firmen­ schrift der VACUUMSCHMELZE GMBH PSOOO, Juni 1991, insb. Seite 8, bekannt. Hier wird zur Erfassung der Stellung zweier gegeneinander verschiebbarer Teile ein Sensor­ element als Meßeinheit einerseits und ein Dauermagnet andererseits gegeneinander linear verschoben. Abhängig von dem Abstand von Meßeinheit und Dauermagnet wird sich das Magnetfeld ändern, das die Magnetfeldmeßeinheit durchdringt, so daß das von der Meßeinheit abgegebene Ausgangssignal stellungsabhängig ist.

Diese bekannten Stellungssensoren haben insbesondere beim Einsatz in Umgebungen, die große magnetische Störfelder aufweisen, den Nachteil, daß das Sensorelement auch von diesen Störfeldern beeinflußt wird, so daß eine Ver­ fälschung des Meßergebnisses auftreten kann. Üblicher­ weise werden Störfelder von außen auf eine Meßeinrichtung dadurch ferngehalten, daß man eine Abschirmung vorsieht. Für Störfelder mit niedrigen Frequenzen ist es dazu not­ wendig, eine Abschirmung aus weichmagnetischem Material vorzusehen. Bei der Anwendung einer solchen Abschirmung für einen Stellungssensor der bekannten Art ergibt sich aber insbesondere bei großen Wegstrecken, die zwischen Dauermagnet und Meßeinheit zurückgelegt werden sollen, der Nachteil, daß entweder die Abschirmung soweit von dem Stellungssensor entfernt angeordnet sein muß, daß die Abschirmung das vom Dauermagneten ausgehende und auf die Meßeinheit wirkende Magnetfeld nicht wesentlich beein­ flußt - dann ist nur eine geringe Abschirmwirkung zu erzielen - oder, man schirmt das Sensorelement in dessen unmittelbarer Nähe ab - dann wird bei größeren Abständen zum Dauermagneten auch das von diesem Dauermagneten her­ rührende Feld von der Meßeinheit abschirmen und so das Ausgangssignal schwächen.

Weiterhin ergibt sich bei diesen bekannten Stellungs­ sensoren eine natürliche Grenze für die Wirksamkeit, da bei zu großer Entfernung von Sensorelement und Dauer­ magnet das von dem Dauermagneten ausgehende Feld nicht mehr für eine eindeutige Stellungserfassung ausreicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen Stellungssensor anzugeben, bei dem auch größere Meß­ bereiche eindeutig erfaßt werden können und bei dem es außerdem möglich ist, eine magnetische Abschirmung vorzusehen, ohne daß eine nachteilige Beeinflussung der Wechselwirkung von Dauermagnet und Sensorelement durch die Abschirmung gegeben ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ausführungsbeispiele des neuen abschirmbaren magnetischen Stellungssensors sind in den Fig. 1 bis 4 dargestellt.

In Fig. 1 ist ein Sensorelement 1 im Innern einer zylin­ derförmigen Abschirmung 2 angeordnet. Das Sensorelement kann dabei in bekannter Weise aus einem weichmagnetischen Kern mit Erreger- und Erfasserspule bestehen. Es können aber auch Hallgeneratoren oder andere magnetisch empfind­ liche Meßeinrichtungen verwendet werden. Der Aufbau des Sensorelementes und seine Anschlußleitungen sind daher nicht mit dargestellt. Relativ zum Sensorelement 1 in Richtung des Pfeiles 3 bewegbar ist nun ein Träger 4, der hier aus einem Aluminiumrohr besteht - also aus einem nichtmagnetischen Material. Dieser Träger 4 trägt in Achsrichtung im Abstand voneinander angeordnete Dauer­ magnete 5 und 6, die an gegenüberliegenden Punkten des Trägers 4 auf diesem befestigt sind. Die Dauermagnete 5 und 6 besitzen unterschiedliches Volumen und erzeugen so ein Magnetfeld mit unterschiedlicher Induktion. Wird nun der Träger 4 in Richtung des Pfeiles 3 mit seiner Öffnung 7 über das Sensorelement 1 geschoben, so wirken zunächst die größeren und mit zunehmender Relativbewegung von Sensorelement 1 und Träger 4 die kleineren Magnete auf das Sensorelement, so daß mit zunehmender Bewegung der vom Sensorelement 1 erfaßte Magnetfluß abnimmt. Der Durchmesser der Abschirmung 2 ist dabei so groß gewählt, daß sich der Träger 4 mit den Dauermagneten 5 und 6 zwischen die Abschirmung 2 und das Sensorelement 1 schieben kann. Hierdurch ist - unabhängig von der relativen Stellung von Träger 4 und Sensorelement 1 - der Abstand zwischen dem Sensorelement 1 und den das Sensor­ element 1 beeinflussenden Dauermagneten 5 und 6 immer geringer als der Abstand der Abschirmung 2 zum Sensorelement 1, so daß ein nennenswerter Einfluß der Abschirmung 2 auf das Meßergebnis ausbleibt. Es können also relativ große lineare Bewegungen von dem Stellungs­ sensor erfaßt werden und dies kann auch in einer Umgebung mit starken elektromagnetischen Störfeldern geschehen.

Fig. 2 zeigt nun eine etwas abgewandelte Anordnung. Hier ist wiederum das Sensorelement 1 im Innern einer Abschir­ mung 2 angeordnet, und ein Träger 4 kann sich in Pfeil­ richtung 3 über das Sensorelement 1 schieben. Im Gegen­ satz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind hier gleich starke Dauermagnete 5 und 6 vorgesehen, die - allerdings paarweise gegeneinander verdreht - auf dem Träger 4 angeordnet sind. Hierdurch dreht sich bei zunehmender linearer Bewegung des Trägers 4 in Pfeilrichtung 3 das auf das Sensorelement 1 einwirkende Magnetfeld. Das Sensorelement 1 erfaßt jedoch nur eine Komponente dieses Magnetfeldes, so daß trotz gleich großer Dauermagnete 5 und 6 das das Sensorelement 1 durchsetzende Magnetfeld sich mit der Relativbewegung von Träger 4 und Sensor­ element 1 ändert. Obgleich in beiden Ausführungsbeispie­ len angegeben wurde, daß sich der Träger 4 mit den Dauer­ magneten bewegt, ist es ebenso möglich, daß das Sensor­ element beweglich und der Träger 4 fest oder beide Teile zueinander beweglich angeordnet sind.

In Fig. 3 ist das Sensorelement 1 mit der Abschirmung 2 unverändert gelassen. Allerdings ist mit dem Sensor­ element 1 ein Dauermagnet 8 fest verbunden. Mit dem Träger 4 sind jetzt im Gegensatz zu den Ausführungs­ beispielen nach den Fig. 1 und 2 keine Dauermagnete, sondern ein weichmagnetischer Rückschluß 9 für das Magnetfeld des mit dem Sensorelement 1 verbundenen Dauermagneten 8 verbunden. Die das Sensorelement 1 um­ gebende Öffnung des weichmagnetischen Rückschlusses bzw. der Abstand der Schenkel 10 des weichmagnetischen Rück­ schlusses 9 voneinander sind nun veränderlich, so daß - abhängig von der Stellung des Trägers 4 gegenüber dem Sensorelement 1 - zwischen Dauermagnet 8, weichmagneti­ schem Rückschluß 9 und Sensorelement 1 unterschiedliche Luftspalte vorhanden sind, die wiederum Ursache für ein unterschiedlich starkes Magnetfeld im Sensorelement - abhängig von der Stellung des Trägers 4 - verursachen. Bei diesem Ausführungsbeispiel entsteht unter Einschluß des weichmagnetischen Rückschlusses 9 ein geschlossener Magnetkreis mit geringen Streufeldern, so daß der Träger 4 hier auch aus weichmagnetischem Material bestehen kann, ohne daß eine Beeinflussung des Meßergebnisses zu befürchten ist. Diese Anordnung ist daher besonders vor­ teilhaft, wenn auch eine Abschirmung des Trägers wegen sehr hoher Störfelder erwünscht ist. Man kann auch bei den Ausführungsbeispielen der anderen Figuren den Träger 4 mit einer Abschirmung umgeben, muß dann allerdings den Abstand zwischen Träger 4 und der den Träger 4 umgebenden Abschirmung relativ groß wählen.

Ein weiteres Beispiel zeigt Fig. 4 wiederum mit dem Sensorelement 1, der Abschirmung 2 für das Sensorelement und einem Träger 4 mit einseitiger Öffnung, die ähnlich wie der weichmagnetische Rückschluß 9 in Fig. 3 so ge­ staltet ist, daß sich der Abstand zwischen Sensorelement und den Schenkeln des Trägers 4 kontinuierlich verändert. Die Schenkel des Trägers 4 tragen nun wieder Dauermagnete 5 und 6, die hier als Stabmagnete ausgebildet sind und deren unterschiedlicher Abstand zum Sensorelement 1 - abhängig von der Stellung des Trägers 4 - relativ zu dem Sensorelement den unterschiedlichen Magnetfluß im Sensor­ element bewirken. Wie auch in den Fig. 1 und 2 können anstelle der Stabmagnete 5 und 6 auch in Fig. 4 beispielsweise Magnetbänder oder langgestreckte Dauer­ magnete vorgesehen sein. Möglich wäre es auch, die Schenkel des Trägers 4 in Fig. 4 selbst aus Dauermagnet­ material herzustellen. In diesem Fall wären Träger 4 und Magnetanordnung identisch.

Claims (7)

1. Abschirmbarer magnetischer Stellungssensor mit einem Sensorelement (1) für ein Magnetfeld, das relativ zu min­ destens einem Magneten oder dem weichmagnetischen Rück­ schluß mindestens eines mit dem Sensorelement verbundenen Magneten bewegbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein mindestens einseitig offener Träger (4) für ein Magnetsystem aus Dauermagneten (5, 6) oder den weich­ magnetischen Rückschluß (9) eines mit dem Sensorelement (1) verbundenen Dauermagneten (8) relativ zum Sensorelement (1) so bewegbar angeordnet ist, daß sich das Sensorelement (1) in die einseitige Öffnung (7) des Trägers (4) bewegt und daß die Anordnung so getroffen ist, daß sich die Stärke des das Sensorelement (1) durchdringenden Magnetfeldes abhängig von der relativen Stellung von Sensorelement (1) und Träger (4) ändert.

2. Stellungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Sensorelement (1) von einer magnetischen Abschirmung (2) umgeben ist und daß der Abstand zwischen dem Sensorelement (1) und der ihn umgebenden Abschirmung (2) so groß ist, daß der Träger (4) mit den Dauermagneten (5, 6) oder dem weichmagnetischen Rückschluß (9) eines mit dem Sensorelement (1) verbundenen Dauermagneten (8) sich zwischen dem Sensorelement (1) und der Abschirmung (2) bewegen kann.

3. Stellungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auch der Träger (4) von einer Abschirmung umgeben ist, die ebenfalls mit dem Träger (4) und dem Magnetsystem aus Dauermagneten (5, 6) bzw. dem weich­ magnetischen Rückschluß (9) zwischen dem Sensorelement (1) und der das Sensorelement umgebenden Abschirmung (2) bewegbar ist.

4. Stellungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf einem Träger (4) Dauermagnete (5, 6) oder Magnetbänder spiralförmig angeordnet sind, so daß sich die Magnetfeldkomponente, die das Sensorelement (1) beeinflußt, mit der relativen Stellung von Sensorelement (1) und Träger (4) ändert (Fig. 2).

5. Stellungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (4) gleichmäßig mit Dauermagneten (5, 6) über seine Länge bestückt ist, jedoch eine unterschiedlich weite Öffnung besitzt, so daß sich abhängig von der relativen Stellung von Träger (4) und Sensorelement (1) der Abstand zwischen dem Sensor­ element (1) und den auf dem Träger (4) angebrachten Dauermagneten ändert (Fig. 4).

6. Stellungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger mit einem Rückschluß mit sich zum Sensorelement (1) erweiternden Öffnung besteht, während mit dem Sensorelement (1) ein Dauermagnet (8) verbunden ist, der sich ebenfalls innerhalb der Öffnung des weichmagnetischen Rückschlusses (9) befindet (Fig. 3).

7. Stellungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß über die Trägerlänge gesehen, auf den Träger unterschiedlich starke Magnete aufgebracht sind, die einen von der relativen Stellung von Träger und Sensorelement abhängiges unterschiedliches Magnetfeld in dem Sensorelement erzeugen (Fig. 1).