DE69925309T2

DE69925309T2 - Lagesensor mit hallsonde

Info

Publication number: DE69925309T2
Application number: DE69925309T
Authority: DE
Inventors: Pierre Gandel; Yann Buaillon
Original assignee: Moving Magnet Technologie SA
Current assignee: Moving Magnet Technologie SA
Priority date: 1998-11-20
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2019-11-20
Also published as: US6573709B1; EP1141661A1; EP1141661B1; FR2786266A1; JP2002530666A; DE69925309D1; ATE295527T1; FR2786266B1; WO2000031505A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Meßtechnik und insbesondere das Gebiet der kontaktlosen, auf Hallsonden basierenden Positionsfühler.
Es sind Hallsonden-Fühler bekannt, die die Bestimmung der linearen oder winkelmäßigen Position eines Permanentmagneten bezüglich einer Statorstruktur ermöglichen.
Ferner ist aus dem französischen Patent FR 2670268 ein magnetischer Hall-Fühler für Position und Geschwindigkeit bekannt, der das Bestimmen der Position oder Geschwindigkeit in einer einzelnen Dimension erlaubt.
Das europäische Patent EP 800055 beschreibt einen linearen und winkelbezogenen Positionsfühler. Der Fühler schreibt nicht zwei Luftspalte vor und liefert Analogsignale, die schwer zu verwerten sind, da sie nicht linear sind und einen geringen Pegel aufweisen. Derartige Fühler sehen zwei Kanäle vor, die nicht unabhängig voneinander sind.
Weitere Patente, beispielsweise das Patent US 4,639,667 oder WO 9716736 beschreiben Fühler, die gemäß Prinzipien arbeiten, die die Abgabe linearer und unabhängiger Signale, welche die Position in zwei Dimensionen darstellen, nicht ermöglichen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Fühler vorzusehen, der das Messen einer räumlichen Position mit zwei unabhängigen Freiheitsgaden ermöglicht.
Daher betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Bedeutung einen Positionsfühler mit zumindest einer Statorstruktur, die einen sekundären Spalt definiert, in dem zumindest eine Hallsonde vorgesehen ist, und mit einem mobilen bzw. beweglichen Magnet in einem Hauptspalt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Statorstruktur aus Statorteilen zusammensetzt, die zumindest einen ersten sekundären Spalt definiert, in dem zumindest eine erste Hallsonde vorgesehen ist, die ein Signal abhängig von der Verschiebung des mobilen Magneten bezogen auf einen ersten Freiheitsgrad liefert, und zumindest einen zweiten sekundären Spalt definiert, in dem zumindest eine zweite Hallsonde vorgesehen ist, die ein Signal abhängig von der Verschiebung des mobilen Magneten bezogen auf einen zweiten Freiheitsgrad liefert.
Vorzugsweise sind die sekundären Spalte durch zwei Paare sekundärer Luftspalte ausgebildet. Jedes Paar sekundäre Luftspalte umfaßt zwei Hallsonden, die beiderseits vom Schnittpunkt des ersten Paars sekundärer Spalte mit dem zweiten Paar sekundärer Spalte angeordnet sind, sowie Mittel zur Summierung der elektrischen Signale, die von den Hallsonden geliefert werden, welche in dem gleichen Spalt angeordnet sind, um ein Endsignal zu liefern, das im wesentlichen proportional zu der Position des Magnets bezogen auf den Freiheitsgrad ist, der jedem einzelnen Paar Hallsonden entspricht.
Vorteilhafterweise ist die Statorstruktur aus vier Polen aus einem weichmagnetischen Material zusammengesetzt, wobei diese miteinander zwei Paare sekundärer Spalte definieren, welche sich an einem Mittelpunkt kreuzen, und wobei der Hauptspalt eben ist.
Gemäß einer ersten Alternative bestehen die Statorpole aus vier rechteckigen Stücken, die mit einer nicht magnetischen Basis verbunden und gegenüber einem Joch plaziert sind und zwei senkrechte Paare sekundärer Spalte definieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung liegt das Verhältnis L/E zwischen der Dicke L des Magneten und Dicke E des Spalts zwischen 1 und 2.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Alternative sind die Abmessungen der sekundären Spalte C₁ + E und C₂ + E, wobei C₁ und C₂ den Hub des mobilen Magneten in beide Richtungen der sekundären Spalten bezeichnen.
Gemäß einer zweiten Alternative der Ausführung weist der Magnet eine halbröhrenförmige Form auf und ist in einem ersten Freiheitsgrad in axialer Translation und in einem zweiten Freiheitsgrad in axialer Rotation bezogen auf eine Statorstruktur beweglich, die sich aus vier Statorpolen zusammensetzt, welche eine Halbring-Form aufweisen, und ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß er ein erstes Paar Hallsonden, die in einem ersten Paar sekundärer Spalte in der transversalen Mittelebene der Statorstruktur angeordnet sind, um die Position bezüglich des ersten Freiheitsgrads zu messen, und ein zweites Paar Hallsonden umfaßt, die in einem zweiten, longitudinalen sekundären Spalt angeordnet sind, der von den longitudinalen Schlitzen gebildet ist, welche die genannten halbringförmigen Statoren trennen.
Gemäß einer dritten Ausführungsalternative weist der Magnet eine halbröhrenförmige Form auf und ist in einem ersten Freiheitsgrad in axialer Translation und in einem zweiten Freiheitsgrad in axialer Rotation bezogen auf eine Statorstruktur beweglich, die sich aus vier Statorpolen zusammensetzt, welche eine halbzylindrische Form aufweisen, und dadurch gekennzeichnet, daß er ein erstes Paar Hallsonden, die in einem ersten Paar sekundärer Spalte in der transversalen Mittelebene der Statorstruktur zur Messung der Position in dem ersten Freiheitsgrad angeordnet ist, und ein zweites Paar Hallsonden umfasst, die in einem zweiten, longitudinalen sekundären Spalt angeordnet sind, der sich in der longitudinalen Mittelebene befindet, der die Stator-Halbzylinder trennt.
Gemäß einer bestimmten Ausführung sind die longitudinalen Ränder der Stator-Halbzylinder abgeschrägt.
Gemäß einer vierten Ausführungsalternative ist der erfindungsgemäße Fühler dadurch gekenntzeichnet, daß der Magnet eine sphärische oder halbsphärische Form aufweist und in sphärischer Rotation bezüglich einer Statorstruktur in Form einer sphärischen Kalotte bestehend aus vier Statorpolen in Form eines Kalottensektors beweglich ist, wobei er ferner ein erstes Paar Hallsonden, die in einem ersten Paar sekundärer Spalte in einer ersten Mittelebene der Statorstruktur zum Messen der Position in dem ersten Freiheitsgrad angeordnet sind, und ein zweites Paar Hallsonden aufweist, die in einen zweiten, longitudinalen sekundären Spalt in einer zweiten Mittelebene angeordnet sind.
Gemäß einer fünften Ausführungsalternative ist der Fühler dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet eine sphärische oder halbsphärische Form aufweist und in sphärischer Rotation bezüglich einer Statorstruktur in sphärischer Form beweglich ist, die aus vier Statorpolen mit innerer Kugelform gebildet ist, die sich entlang des Äquators des Magnets befinden, wobei der Fühler ein erstes Paar Hallsonden umfaßt, die in einem ersten Paar sekundärer Spalte in einer ersten Mittelebene der Statorstruktur zur Messung der Position in dem ersten Freiheitsgrad angeordnet sind, und ein zweites Paar Hallsonden umfasst, die in einem zweiten, longitudinalen sekundären Spalt in einer zweiten Mittelebene vorgesehen sind.
Vorzugsweise weist der Hauptspalt eine sphärische Form auf.
Gemäß einer sechsten Ausführungsalternative ist der Fühler dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet eine sphärische oder halbsphärische Form aufweist und in sphärischer Rotation um eine Statorstruktur beweglich ist, welche aus vier Statorpolen in Form einer Viertelkugel ausgebildet ist, wobei der Fühler ein erstes Paar Hallsonden, die in einem ersten Paar sekundärer Spalte in einer ersten Mittelebene der Statorstruktur zur Messung der Position in dem ersten Freiheitsgrad vorgesehen sind, und ein zweites Paar Hallsonden umfaßt, die in einem zweiten, longitudinalen sekundären Spalt in einer zweiten Mittelebene angeordnet sind.
Vorzugsweise weisen die Statorabschnitte Abschrägungen auf.
Die Erfindung ist besser unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung zu verstehen, die sich auf nicht beschränkende Ausführungsbeispiele bezieht, welche in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, wobei die Zeichnungen darstellen:
1 und 2 zeigen eine jeweils schematische Ansicht des Statorteils und gemäß einer transversalen Ansicht eine erste Ausführungsalternative in der Form eines linearen XY-Fühlers;
3a und 3b geben ein typisches Verhalten der Meßergebnisse für zahlreiche Verlagerungen des Magneten an;
4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines XY-Fühlers gemäß der ersten Alternative;
5 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen linearen Winkelfühlers;
6 und 7 zeigen Teilansichten eines linearen Winkelfühlers gemäß einer Ausführungsalternative;
8 zeigt eine Teilansicht einer weiteren Ausführungsalternative eines erfindungsgemäßen linearen Winkelfühlers;
9 und 9' zeigen eine perspektivische Ansicht bzw. einen Schnitt eines sphärischen Fühlers mit zwei Rotations-Freiheitsgraden;
10 zeigt eine Explosions-Ansicht eines Magnets sowie seines Jochs für einen derartigen sphärischen Fühler;
11 zeigt eine Ausführungsform eines sphärischen Fühlers, der einfacher herzustellen ist;
12 zeigt eine Ansicht eines Magneten für einen sphärischen Fühler, der zum einen auf einem Joch befestigt ist und zum anderen allein dargestellt ist;
13 zeigt eine weitere Ausführungsalternative eines sphärischen Fühlers;
14 zeigt eine Teilansicht einer weiteren Ausführungsalterative eines sphärischen Fühlers;
15 und 16 stellen eine Teilansicht und eine transversale Ansicht eines linearen bidirektionalen Fühlers mit zwei Hallsonden dar;
17 und 18 sind Ansichten eines linearen Drehfühlers mit zwei Hallsonden;
19 und 20 sind Ansichten einer Alternative eines linearen Drehfühlers mit zwei Hallsonden.
Die Erfindung betrifft im allgemeinen einen neuen Fühlertyp, der die Position eines beweglichen Teils in zwei Freiheitsgaden erfassen kann.
Die vorgesehenen Anwendungen sind insbesondere:

• Informatik-Anwendungen: Maus, Joystick
• Industrielle Anwendungen: Pick and Place (Bestückungsgeräte)
• Automobil-Anwendungen: Schalthebel, Schalthilfe.

Die 1 und 2 zeigen eine schematische Ansicht des Statorteils bzw. einen transversalen Schnitt durch eine erste Ausführungsalternative eines linearen XY-Fühlers.
Das Ziel ist es, daß die Verlagerung eines beweglichen Teils in einer Ebene in einer vorgegebenen Richtung jederzeit ermittelbar sein soll.
Der in den 1 und 2 dargestellte Fühler weist vier Statorpole (1 bis 4) aus einem weichmagnetischen Material in quadratischer Form auf, die über ein ferromagnetisches Joch (5) durch einen Hauptschlitz (10) getrennt sind.
Im Inneren des Hauptschlitzes ist ein dünner transversal magnetisierter Magnet beweglich.
Die vier Statorpole definieren vier zwischen diesen vorgesehenen sekundäre Spalte (6 bis 9). In jedem Spalt dieser Spalte ist eine Hallsonde (12 bis 15) angeordnet, um die magnetische Induktion zu ermitteln, die zwischen einem Pol und einem weiteren Pol durch die Wechselwirkung zwischen dem Magneten 11 und der Eisenmasse der Statorstruktur herrscht, die durch die Statorpole (1 bis 4) und das Joch (5) ausgebildet ist.
Der Fühler setzt sich daher aus einem ebenen, rechteckigen Magneten (11), vier weichmagnetischen rechteckigen Polen (1 bis 4), vier Hallsonden (12 bis 15) (oder eine andere Komponente, die gegenüber der Änderung der magnetischen Induktion empfindlich ist) und einem rechteckigen ferromagnetischem Joch (5) zusammen.
Bei der Verlagerung des Magneten wird eine Veränderung des magnetischen Potentials jedes Pols verursacht, wodurch sich die in jeder Sonde gemessene Induktion verändert. Ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung besteht darin, die Signale der Sonden zu addieren. Tatsächlich ist die Summe der Signale, die von den Sonden (12 und 14) geliefert werden, eine lineare Funktion der Verlagerung bezüglich der X-Achse, und die Summe der von den Sonden (13 und 15) gelieferten Signale ist eine lineare Funktion der Verlagerung in der Y-Achse. Daher kann ein Signal erhalten werden, das einfach auszuwerten ist, indem die Signale mittels einer elektronischen Summierungsschaltung addiert werden.
Man erhält also zwei unabhängige Signale, die jeweils bezüglich der Verlagerung in X- und Y-Richtung linear sind.
Die Kompensation der Änderung des Verhaltens des Magneten mit der Temperatur kann erreicht werden, indem doppelte Einzelsonden eines entsprechenden Schaltkreises verwendet werden, jedoch ist die Anpassung der integrierten Schaltkreise, welche die Funktionen der Hallsonde und der Kompensation umfassen, vorzuziehen.
Die 3a und 3b geben das typische Verhalten der Meßergebnisse für zahlreiche Verlagerungen des Magneten wieder.
Es seien L die Dicke des Magneten, E der Spalt, und c_x und c_y die Wege des Fühlers in den zwei Dimensionen.
Es sollte ein Verhältnis von L/E zwischen 1 und 2 verwendet werden.
Wenn als minimale Abmessungen für die Statoren (c_x + E) und (c_y + E) in der Meßebene verwendet werden, ergibt sich tatsächlich eine Linearität des Signals entlang der zwei Achsen.
Diese Ausgestaltung kann einfach in ein kompaktes System gemäß der 4 integriert werden.
Der Magnet wird in eine Halterung (31) eingefügt, die zwischen zwei Abstandshaltern (21 und 22) verschiebbar sind. Die Pole (1 bis 4) sind auf einer nicht magnetischen Basis (23) befestigt, und die Baugruppe ist durch steife Befestigungselemente (24 und 30) verbunden, beispielsweise durch Schrauben, Stifte ...
Die Halterung (31) sieht Befestigungsklammern zur Befestigung am Element vor, dessen Position zu bestimmen ist.
Es ergibt sich daher eine integrierbare Gruppe, deren Signale einfach auszuwerten sind.
Die 5 zeigt eine Teilansicht eines gemischten (linear + winkelbezogen) x, θ-Fühlers.
Das System setzt sich aus den folgenden Teilen zusammen:

• Ein radial magnetisierter Halbring-Magnet (40). Gemäß den Systemvoraussetzungen kann dieser an das zylindrische Joch (45) geklebt werden oder auch zwischen dem Joch und den Statoren beweglich sein.
• Vier ferromagnetische Statoren (41 bis 44) in Halbringform (in der 5 ist der vierte Stator nicht dargestellt, um den Magneten sichtbar zu machen).
• Vier Hallsonden (46 bis 49)
• Ein ferromagnetisches zylindrisches Joch (45), das massiv oder auch nicht massiv sein kann.

In den 6 und 7 ist eine weitere Ausführung des linearen-winkelbezogenen Fühlers dargestellt: Diese besteht darin, den Mechanismus umzukehren, das heißt, daß das Joch (45) und der Magnet (40) außen angeordnet wird und die Statoren (41 bis 44) innen angeordnet werden.
Die Statoren (41 bis 44) werden dadurch halbmondförmig, und das Joch (45) wird zu einem ferromagnetischen Rohr. Der Magnet (40) bleibt ein radial magnetisierter Halbring und ist zwischen dem Stator (41 bis 44) und dem Joch (45) beweglich, oder kann auch an das letztere angeklebt sein.
In dieser Konstruktion werden die von den Sonden (50 und 51) gelieferten Signale addiert, nämlich der Sonden, deren empfindliche Oberfläche senkrecht zur Drehachse X ist, um ein lineares Signal abhängig von der linearen Verlagerung des Magneten entlang der X-Achse zu erhalten. Ferner werden die von den Sonden (52 und 53) gelieferten Signale addiert, nämlich der Sonden, deren empfindliche Oberfläche parallel zu der Rotationsachse X sind, um ein Signal zu erhalten, das linear von der Drehung des Magneten um die X-Achse abhängig ist. Der winkelbezogene Weg ist auf 180° beschränkt und man erhält tatsächlich ein lineares Signal entlang eines Wegs von ungefähr 160°.
Es ergeben sich schließlich zwei unabhängige Signale, die hinsichtlich der Drehung und hinsichtlich der Verschiebung bezüglich des gleichen X-Achse jeweils linear sind.
Eine Alternative dieser Lösung ist in der 8 dargestellt. Sie besteht darin, die Statoren (41 bis 44) mit Abschrägungen (61 bis 64) vorzusehen. Dadurch wird die Dreh-Empfindlichkeit des Fühlers verstärkt, wobei sein winkelbezogener Weg verringert wird.
Wie auch für den linearen XY-Fühler kann die Summierung der Signale leicht durch eine Summierungsschaltung realisiert werden. Es kann in gleicher Weise ein integrierter Schaltkreis verwendet werden, der unmittelbar Elemente umfaßt, die bezüglich der Änderung der Induktion empfindlich sind und die die Funktionen zur Kompensation der Temperatur des Magneten umfassen.
Die 9 zeigt eine schematische Ansicht eines sphärischen Fühlers mit zwei Drehungs-Freiheitsgraden.
Das System ist daher aus vier Komponententypen zusammengesetzt:

• Ein Magnet (70), der in 10 in Explosion dargestellt ist, der aus zwei Halbmagneten (76 und 77) zusammengesetzt ist. Die zwei Halbmagneten haben die Form von Halbkugeln, die vorzugsweise durch Formgießen und radiales Magnetisieren erhalten werden. Der Magnet (70) kann an dem sphärischen Joch (75) befestigt werden oder kann zwischen den Statoren und dem Joch beweglich sein.
• Vier ferromagnetische Statoren (71 bis 74), die den Magneten (70) umgeben. In dem Grundprizip, das in der 9 dargestellt ist, haben diese die Form eines Viertels der sphärischen Kalotte. Es ist ersichtlich, daß diese Form in industriellen Umsetzungen dieses Fühlertyps modifiziert werden kann.
• Vier Hallsonden (81 bis 84) oder auch andere Elemente, die bezüglich der Änderung der magnetischen Induktion empfindlich sind, und die zwischen den Statoren (71 bis 74) angeordnet sind, wie es in 9 dargestellt ist.
• Ein sphärisches ferromagnetisches Joch (75).

Bei einem Drehen des Magneten in den zwei Achsen X und Y wird eine Änderung der magnetischen Induktion in den vier Spalten hervorgerufen, in denen die Sonden plaziert sind.
Die Addition der von den Sonden (81 und 82) gelieferten Signale liefert ein Signal, das linear abhängig ist von der Drehung des Magnets um die X-Achse.
Die Addition der von den Sonden (83 und 84) gelieferten Signale liefert ein Signal, das linear abhängig ist von der Drehung des Magneten um die Y-Achse ist.
Es ergeben sich daher letztendlich zwei unabhängige und lineare Signale, die jeweils von der Drehung des Magneten um eine der zwei oben genannten Achsen abhängig sind.
Es ist zu bemerken, daß die Drehung um die dritte Achse ohne Einfluß auf die so erhaltenen zwei Signale ist.
Die 11 zeigt eine Ausführung eines sphärischen Fühlers, der einfacher herzustellen ist und der insbesondere zur Herstellung von Joysticks und anderen Bedienelementen mit zwei Freiheitsgaden verwendet werden kann.
Zunächst kann die Winkelamplitude des Stators beschränkt und seine äußere Form vereinfacht werden.
Die Statoren (71 bis 74) weisen daher eine innere sphärische Form auf, um einen konstanten Abstand zu der äußeren Oberfläche des Magneten und einer Außenoberfläche zu halten, die hier zylindrisch ist, jedoch an die Konstruktionsvorgaben angepaßt werden kann.
Ferner kann eine Magnethälfte (76), sogar auch beide, gemäß der Anzahl der benötigten mechanischen Verbindungen und der erwünschten Ergebnisse durchbohrt sein, wie es in der 12 dargestellt ist. In diesem Fall muß bei einer Bewegung des beweglichen Teils das ausgeführte Loch (78) weit genug von den Statoren entfernt sein, um die Korrektheit der Signale zu bewahren. Das Vorliegen eines solchen Hohlraums (78) erlaubt das Befestigen einer mechanischen Komponente an dem Joch und somit die Verbindung zwischen dieser Meßvorrichtung und dem Mechanismus, dessen Verlagerung gemessen werden soll.
Schließlich kann auch nur eine sphärische Magnethälfte verwendet werden, die radial magnetisiert ist. Die andere kann in diesem Fall durch eine nicht-magnetische Halbkugel er setzt werden, um als Führung in einer Halterung zu dienen, wie sie in 11 dargestellt ist. Es ist zu bemerken, daß in diesem Fall die Amplitude jedes der beiden Signale auf die Hälfte reduziert ist.
Eine Möglichkeit der Führung der Kugel in dem Spalt der Statoren (71 bis 74) ist das Erzeugen einer Reibungsfläche, mit der diese direkt in Kontakt kommt. Der Spalt kann dann durch die Dicke des Materials gewährleistet werden, das diese Führung realisiert, wobei dieses Material selbstverständlich nicht magnetisch ist.
Gemäß der Voraussetzung des Mechanismus selbst besteht die Möglichkeit, die Reibung direkt auf dem Magneten vorzusehen oder diesen mit einem Materialüberzug zu beschichten, der geeignet ist, die Reibungen zu verringern, die Lebensdauer des Mechanismus zu verbessern, etc..
Die 11 zeigt eine Anwendung dieses Prinzips: Die Statoren (71 bis 73) wurden in einen Kunststoffüberzug eingebettet, der den Spalt, die mechanische Verbindung zwischen den Statoren sowie das Unterbringen der Sonden gewährleistet. Dieses Prinzip kann in gleicher Weise mit allen anderen Beschichtungsverfahren verwendet werden: Die Kunststoffschicht kann geklebt, per Klipp befestigt, oder mittels zahlreicher verschiedener Arten an den Statoren befestigt werden.
Ein weiteres Prinzip besteht darin, lediglich eine Magnet-Halbkugel zu haben, wobei die ergänzende Halbkugel eine metallische Kugeloberfläche aufweist, die auf einer metallischen Kalotte geführt werden kann.
Schließlich kann dieser Mechanismus umgekehrt werden, und zwar indem die Statoren (91 bis 94) in dem Inneren des Magneten (96) vorgesehen werden. Das Joch wird daher zu einer Hohlkugel, und die Statoren (91 bis 94) werden zu Kugelvierteln, wie es in der 13 dargestellt ist.
In der gleichen Weise wie oben angegeben ergeben sich zwei unabhängige Signale, die jeweils linear abhängig von der Rotation um die Achsen X und Y sind.
Das erste ist die Summe der Signale, die von der Sonde (97) und der diametral entgegengesetzten Sonde geliefert werden, und das zweite Signal ist die Summe der Signale, die von der Sonde (98) und der diametral gegenüberliegenden Sonde geliefert werden.
Die Möglichkeit, nur eine magnetisierte Halbkugel zu haben, bleibt erhalten, wobei dadurch die Hälfte der Signalamplitude verloren geht.
Es besteht die Alternative, den Magneten mit dem Joch zu bewegen (z.B. indem dieser oben angeklebt wird), oder den Magneten unabhängig von dem Joch zu bewegen, oder auch seine Unbeweglichkeit zu bewahren, um die Statoren zu bewegen. In diesem Fall kann der gleiche Befestigungstyp verwendet werden, wie er bereits für die vorangegangene Lösung beschrieben wurde.
Schließlich sind mehrere Formtypen für den Stator denkbar, wobei die 14 ein Beispiel einer möglichen Modifikation vorsieht.
Die Statoren (91 bis 94) sehen Abflachungen (100, 101) vor, die das Konzentrieren des magnetischen Flusses auf die Hallsonden sowie das Vereinfachen der Befestigung eines Verbindungselements erlauben.
Die Erfindung betrifft nicht nur die oben beschriebenen Ausführungen sondern auch Ausführungsalternativen. Insbesondere ist es möglich, nicht vier Hallsonden sondern nur zwei Hallsonden, d. h. eine pro Sekundärluftspalt, zu verwenden.
Die 15 und 16 geben Teilansichten und Transversalansichten eines linearen bidirektionalen Fühlers mit zwei Hallsonden wieder. Dieses System setzt sich aus den folgenden Komponenten zusammen:

• Ein flacher Magnet (108), der axial in der Richtung senkrecht zum Hauptspalt (107) magnetisiert ist. Dieser ist zwischen den Statoren beweglich.
• Ein erstes Paar ferromagnetischer rechteckiger Statoren (109, 110), die einen ersten sekundären Spalt (114) definieren.
• Ein zweites Paar ferromagnetischer rechteckiger Statoren, die einen zweiten sekundären Spalt (116) definieren, der senkrecht zu dem ersten sekundären Spalt (114) ausgerichtet ist.
• Zwei Hallsonden (113 und 115), die in dem jeweiligen ersten und zweiten sekundären Spalt vorgesehen sind.

Wenn sich der Magnet in seinem Hauptspalt in der XY-Ebene verlagert, verursacht er eine Änderung der magnetischen Induktion in jedem der zwei sekundären Spalte, wobei die Variation direkt von den zwei Sonden gemessen wird.
Die Sonde (115) liefert ein Signal, das direkt linear abhängig von der Verlagerung in der X-Richtung ist.
Die Sonde (113) liefert ein Signal, das direkt linear abhängig von der Verlagerung in der Y-Richtung ist.
Die 17 und 18 stellen Ansichten eines linearen/rotationsbezogenen Fühlers mit zwei Hallsonden dar. Diese Variante erlaubt das Verwenden von lediglich zwei Hallsonden. Das System setzt sich aus den folgenden Komponenten zusammen:

• Ein Magnet-Halbring (120), der radial magnetisiert ist. Dieser ist zwischen den Statoren beweglich.
• Vier innere (121, 122) und äußere (123, 124) ferromagnetische Statoren. Die inneren Statoren (121, 122) sind in der Form eines Halbmonds und können gegebenenfalls abgeschrägt sein. Sie definieren einen ersten flachen sekundären Spalt (127). Die äußeren Statoren (123, 124) sind Ringe und definieren den zweiten sekundären Spalt (128) in Ringform.
• Zwei Hallsonden (129, 130).

Wenn sich der Magnet in seinem Hauptspalt durch Rotation oder Translation bezüglich der X-Achse verlagert, verursacht er dadurch eine Veränderung der magnetischen Induktion in jedem der zwei sekundären Spalte, wobei die Variation mittels der zwei Sonden direkt gemessen werden kann.
Die Sonde (129) liefert ein Signal, das von der Drehung des Magneten bezüglich der X-Achse direkt linear abhängig ist.
Die Sonde (130) liefert ein Signal, das von der Translation des Magneten bezüglich der X-Achse direkt linear abhängig ist.
Das Prinzip kann bezogen auf den Magneten umgekehrt werden, um die in den 19 und 20 vorgeschlagenen Ausgestaltungen zu erhalten. Die Statoren (140, 141) werden dann zu Innenzylindern, und die Statoren (142, 143) werden zu Außen-Halbringen.

Claims

Positionsfühler mit zumindest einer Statorstruktur, die einen sekundären Spalt definiert, in dem zumindest eine Hallsonde vorgesehen ist, und einem mobilen Magnet in einem Hauptspalt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Statorstruktur aus Statorteilen (1 bis 4) zusammensetzt, die zumindest einen ersten sekundären Spalt (6, 8) definieren, in dem zumindest eine erste Hallsonde (12) vorgesehen ist, die ein Funktionssignal von der Verschiebung des mobilen Magnets (11) im Verhältnis zu einem ersten Freiheitsgrad liefert, und zumindest einen zweiten sekundären Spalt (7, 9), in dem zumindest eine zweite Hallsonde (13) vorgesehen ist, die ein Signal abhängig von der Verschiebung des mobilen Magnets (11) bezogen auf einen zweiten Freiheitsgrad liefert.
Positionsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Paare von sekundären Spalten aufweist, die jeweils zwei Hallsonden umfassen, die beiderseits vom Schnittpunkt des ersten Paars und des zweiten Paars der sekundären Spalte angeordnet sind, und Mittel zur Summation der elektrischen Signale, die von den Hallsonden geliefert werden, die in einem selben Spalt plaziert sind, um ein Endsignal zu liefern, das im wesentlichen proportional zu der Position des Magneten (14) ist, gemäß dem Freiheitsgrad, der jedem der Paare der Hallsonden entspricht.
Positionsfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Statorstruktur aus 4 Polen aus einem weichen magnetischen Material zusammen setzt, die unter sich zwei Paare von sekundären Spalten definieren, die sich an einem Mittelpunkt kreuzen, und dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptspalt (10) eben ist.
Positionsfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Statorpole aus 4 rechteckigen Teilen zusammensetzen, die gegenüber einem Joch plaziert sind, mit dem sie einen Hauptspalt definieren und die untereinander zwei Paare von senkrechten sekundären Spalten definieren.
Positionsfühler nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis L/E zwischen der Dicke L des Magneten und der Dicke E des Spaltes zwischen 1 und 2 liegt.
Positionsfühler nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionen der sekundären Spalte C₁ + E und C₂ + E sind, wo C₁ und C₂ den Hub des mobilen Magnets nach den beiden Richtungen der sekundären Spalte bezeichnen.
Positionsfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet eine halb-röhrenförmige Form aufweist und mobil ist nach einem ersten Freiheitsgrad in axialer Translation und nach einem zweiten Freiheitsgrad in axialer Rotation im Verhältnis zu einer Statorstruktur, die sich aus 4 Statorpolen zusammensetzt, die eine innere zylindrische Form aufweisen, und dadurch gekennzeichnet, daß er ein erstes Paar an Hallsonden umfaßt, die in einem ersten Paar von sekundären Spalten in der transversalen medianen Ebene der Statorstruktur plaziert sind, für die Messung von der Position nach dem ersten Freiheitsgrad, und ein zweites Paar von Hallsonden, die in einem zweiten longitudinalen sekundären Spalt plaziert sind, der sich aus den Längsschlitzen zusammensetzt, die die genannten Statorteile trennen.
Positionsfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet rohrförmig und mobil ist nach einem ersten Freiheitsgrad in axialer Translation und nach einem zweiten Freiheitsgrad in axialer Rotation in Bezug auf eine zylindrische Statorstruktur, die von 4 Statorpolen gebildet ist, die eine halb-zylindrische Form aufweisen, und dadurch gekennzeichnet, daß er ein erstes Paar von Hallsonden umfaßt, die in einem ersten Paar von sekundären Spalten in der transversalen medianen Ebene der Statorstruktur plaziert sind, für die Messung der Position nach dem ersten Freiheitsgrad, und ein zweites Paar von Hallsonden, die in einem zweiten longitudinalen sekundären Spalt in der longitudinalen medianen Ebene plaziert sind, die die Statorhalbzylinder trennt.
Positionsfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die longitudinalen Ränder der Statorhalbzylinder abgeschrägt sind.
Positionsfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet eine sphärische Form aufweist und mobil ist in sphärischer Rotation in Bezug auf eine Statorstruktur in Form einer sphärischen Kalotte bestehend aus 4 Statorpolen in Form eines Kalottensektors, und dadurch gekennzeichnet, daß er ein erstes Paar von Hallsonden umfaßt, die in einem ersten Paar von sekundären Spalten in einer ersten medianen Ebene der Statorstruktur plaziert sind, für die Messung der Position nach dem ersten Freiheitsgrad, und ein zweites Paar von Hallsonden, die in einem zweiten longitudinalen sekundären Spalt in einer zweiten medianen Ebene plaziert sind.
Positionsfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet eine sphärische Form aufweist und mobil ist in sphärischer Rotation in Bezug auf eine Statorstruktur in sphärischer Form bestehend aus 4 Statorpolen mit sphärischer innerer Form, die sich um die äquatoriale Ebene des Magnets befinden, und dadurch gekennzeichnet, daß er ein erstes Paar an Hallsonden umfaßt, die in einem ersten Paar von sekundären Spalten in einer ersten medianen Ebene der Statorstruktur plaziert sind, für die Messung der Position nach dem ersten Freiheitsgrad, und ein zweites Paar von Hallsonden, die in einem zweiten longitudinalen sekundären Spalt in einer zweiten medianen Ebene plaziert sind.
Positionsfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet eine sphärische Form aufweist und mobil ist in sphärischer Rotation um eine Statorstruktur in sphärischer oder halbsphärischer Form bestehend aus 4 Statorpolen in Form einer Viertelkugel, und dadurch gekennzeichnet, daß er ein erstes Paar an Hallsonden umfaßt, die in einem ersten Paar von sekundären Spalten in einer ersten medianen Ebene der Statorstruktur plaziert sind, für die Messung der Position nach dem ersten Freiheitsgrad, und ein zweites Paar von Hallsonden, die in einem zweiten longitudinalen sekundären Spalt in einer zweiten medianen Ebene plaziert sind.
Positionsfühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorsektoren Abschrägungen aufweisen.
Positionsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorstruktur zwei sich kreuzende sekundäre Spalte aufweist, wobei jeder der beiden sekundären Spalte mit einer Hallsonde ausgerüstet ist.
Positionsfühler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Statorstruktur umfaßt, die einen ebenen Hauptspalt definiert, sowie zwei senkrecht zueinander stehende sekundäre Spalte, wobei jeder der beiden sekundären Spalte mit einer einzigen Hallsonde ausgerüstet ist.
Positionsfühler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß er folgendes umfaßt: einen Halb-Magnet-Ring (120), radial mobil magnetisiert zwischen den Statorteilen, die sich aus 4 inneren (121, 122) und äußeren (123, 124) ferromagnetischen Statoren zusammen setzen, wobei die inneren Statoren (121, 122) die Form von Halbmonden aufweisen und einen ersten ebenen sekundären Spalt (127) definieren, wobei die äußeren Statoren (123, 124) Ringe sind, die den zweiten sekundären Spalt (128) mit ringförmiger Form definieren, sowie zwei Hallsonden (129, 130), die jeweils im ersten und im zweiten sekundären Spalt plaziert sind, wobei die eine der Sonden (129) ein direkt lineares Signal gemäß der Rotation des Magnets nach der Achse (X) liefert, und wobei die andere Sonde (130) ein direkt lineares Signal gemäß der Translation des Magnets nach der Achse (X) liefert.
Positionsfühler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß er folgendes umfaßt: einen Halb-Magnet-Ring (120), radial magnetisiert und beweglich zwischen den Statorteilen, die sich aus 4 äußeren (140, 141) und inneren (142, 143) ferromagnetischen Statoren zusammen setzen, wobei die äußeren Statoren (140, 141) die Form von Halbringen aufweisen, und einen ersten sekundären Spalt definieren, wobei die inneren Statoren (140, 141) Zylinder sind, die den zweiten sekundären Spalt (128) mit ringförmiger Form definieren, sowie zwei Hallsonden (129, 130), die jeweils im ersten und im zweiten sekundären Spalt plaziert sind, wobei die eine der Sonden (129) ein direkt lineares Signal gemäß der Rotation des Magnets nach der Achse (X) liefert, und wobei die andere Sonde (130) ein direkt lineares Signal gemäß der Translation des Magnets nach der Achse (X) liefert.