DE102007024866A1

DE102007024866A1 - Induktiver Magnetsensor mit Streuscheibe

Info

Publication number: DE102007024866A1
Application number: DE200710024866
Authority: DE
Inventors: Thomas Ullmann; Ines Huether
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2008-12-04
Also published as: WO2008145444A2; WO2008145444A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen induktiven Magnetsensor mit einem Joch, einer Spule, einem Permanentmagneten, der eine erste und eine zweite Polfläche aufweist, und einer Stirnfläche, wobei das Joch mit der Spule, mit der ersten Polfläche des Permanentmagneten und mit der Stirnfläche in magnetischem Kontakt steht. Der Magnetsensor umfasst ferner einen Streukörper, der mit der zweiten Polfläche des Permanentmagneten in magnetischem Kontakt steht. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Streukörpers in einem induktiven Magnetsensor, wobei das Magnetfeld eines Permanentmagneten im Wesentlichen durch den Streukörper hindurch geführt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem induktiven Sensor zur Drehzahlmessung.
In induktiven Sensoren gemäß dem Stand der Technik wird mittels eines Stabmagnets ein Feld erzeugt, das über einen weichmagnetischen Polstift zunächst geführt und an einer Stirnfläche des Polstifts austritt. Den Polstift umgreift eine Spule, so dass Änderungen des magnetischen Flusses innerhalb des Polstifts zu einer Induktionsspannung in der Spule führen.
Das vom Permanentmagneten erzeugte Feld wird, ausgehend von der Stirnfläche, über den freien Raum zurück zum entsprechenden Pol des Permanentmagneten geführt, so dass das Einbringen eines weichmagnetischen Materials, insbesondere in dem Raum direkt vor der Stirnfläche, zu einer veränderten Rückführung des Magnetfelds führt, wodurch der magnetische Fluss in dem Polstift verändert wird.
Somit kann die Bewegung eines Geberrads, das mehrere Weicheisenzähne aufweist, durch Änderungen des Streufelds, der damit verbundenen Änderungen des magnetischen Rückschlusses und der damit verknüpften Induktionsspannung erfasst werden.
Gemäß dem Stand der Technik werden Magnete aus AlNiCo mit großen Längsabmessungen verwendet. Dies führt jedoch zu Sensoren mit einer großen Länge und großem Volumen und somit zu einer großen Menge an erforderlichem magnetischen Material.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Bauteilgröße zu verringern und den Aufwand an magnetischem Material zu verringern, ohne die Empfindlichkeit des Sensors zu beeinträchtigen.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße induktive Sensor erfordert einen deutlich geringeren Aufwand an Magnetmaterial und erlaubt gleichzeitig eine deutlich verringerte Baugröße. Erfindungsgemäß wird ein kleiner Magnet mit hoher Koerzitivfeldstärke verwendet, beispielsweise ein Seltenerdmagnet, vorzugsweise aus NdFeB, der mit einem Streukörper, der auch Streuscheibe genannt wird, kombiniert wird. Der Streukörper, der an dem Ende des Permanentmagneten angebracht ist, das dem Stirnende des Jochs entgegengesetzt ist, streut das vom Permanentmagneten erzeugte magnetische Feld in den Freiraum, wodurch sich eine hohe Empfindlichkeit des induktiven Magnetsensors für sich im Freiraum bewegende weichmagnetische Stoffe ergibt. Die Empfindlichkeit und der Störabstand des Sensors, die bzw. der von der räumlichen Anordnung des Streufelds abhängt, wird durch diese Maßnahme deutlich erhöht.
Gemäß dem der Erfindung zugrunde liegenden Konzept wird das Streufeld aufgeweitet und der direkte magnetische Rückschluss zwischen Magnetpol und Stirnfläche verringert, indem als Streuelement, das die Streuung des Magnetfeldes in den Raum vorsieht, ein Streukörper an einem Pol des Magneten verwendet wird.
Da bislang nur AlNiCo als Material verwendet wurde, das aufgrund der relativ geringen Koerzitivfeldstärke als langer Stabmagnet ausgebildet war, war insbesondere aufgrund des großen Abstands zwischen der Stirnfläche und dem entgegengesetzten Magnetpol und der damit einhergehenden breiten Raumstreuung nicht notwendig, Maßnahmen zur zusätzlichen Streuung zur treffen.
Die Streuscheibe bzw. der Streukörper übernimmt die Funktion des großen Abstands zwischen der Sensor-Stirnfläche und dem entgegengesetzten Permanentmagnetpol, die im Stand der Technik zu einer entsprechenden Feldverteilung im Freiraum und somit zu einer geeigneten Empfindlichkeit des Magnetsensors führt. Dies erlaubt den Einsatz sehr kompakter Permanentmagnete. Diese bilden jedoch aufgrund ihrer kleinen Abmessungen, insbesondere aufgrund des geringen Abstands zwischen Stirnfläche und entgegengesetztem Magnetpol, für sich genommen einen starken direkten magnetischen Rückschluss und sehen nur eine geringe Raumstreuung vor. Zusätzlich bietet das Streuelement eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, die Empfindlichkeit und den Störabstand des Magnetsensors durch Aufweiten und Streuen des Magnetfelds in den Raum deutlich zu erhöhen. Das Streuelement unterbindet folglich einen stärkeren direkten Feldrückschluss zwischen Stirnfläche und entgegengesetztem Magnetpol, so dass ein deutlich höherer Anteil des Magnetfeldes zur Detektion von Änderungen im Freiraum, insbesondere vor der Stirnfläche, zur Verfügung steht.
Der erfindungsgemäße Magnetsensor umfasst einen Permanentmagneten, der als Quelle des magnetischen Felds dient. Ein Pol des Permanentmagneten, vorzugsweise ein sich in Längsrichtung erstreckender und in Längsrichtung vormagnetisierter Stabmagnet, schließt sich an ein Joch mit weichmagnetischen Eigenschaften an. Während der Permanentmagnet vorzugsweise aus ferro- oder ferrimagnetischen Materialien hergestellt ist, die eine hohe Koerzitivfeldstärke aufweisen, ist das Joch, das auch als Polkern oder Polstift bezeichnet wird, aus einem weichmagnetischen Material hergestellt, das heißt, einem Material mit einer hohen magnetischen Suszebilität und geringer Koerzitivfeldstärke. Insbesondere sind hierzu ferro- oder ferrimagnetische Werkstoffe geeignet, die eine geringe Koerzitivfeldstärke bzw. eine geringe permanente Induktion aufweisen. Ferner hat das Joch vorzugsweise eine Sättigungsfeldstärke, die über der Koerzitivfeldstärke des Feldmagneten liegt, um auch bei hohen Feldstärken eine gute magnetische Führung zu ermöglichen.
Die Stirnfläche des Jochs, das dem Permanentmagneten entgegengesetzt ist, ist die empfindlichste Stelle des Sensors und hat vorzugsweise eine geringe Oberfläche, um auch kleinere weichmagnetische Elemente, die an der Stirnfläche vorbeigeführt werden, zu trennen. Ebenso wie das Joch ist auch der Streukörper aus weichmagnetischem Stoff mit geringer Koerzitivfeldstärke und einer hohen magnetischen Suszebilität ausgebildet. Vorzugsweise ist der Streukörper aus Reineisen oder aus niedrig legiertem Stahl ausgebildet. Alternativ können polykristalline Metalle, metallische Gläser und/oder Ferrit-Keramiken als weichmagnetische Werkstoffe verwendet werden. Die Proportionen des Jochs können derart ausgestaltet sein, dass das vom Permanentmagneten ausgehende magnetische Feld von dem Joch gebündelt wird und an keiner Stelle des Jochs eine Feldstärke auftritt, die über der Sättigung des Materials des Jochs liegt. Insbesondere ist die Länge des Jochs maximal zweimal oder dreimal so groß wie der Durchmesser des Jochs an der Stelle, die dem Permanentmagneten am nächsten liegt.
Der Permanentmagnet weist vorzugsweise eine erste Polfläche auf, die einem ersten Magnetpol entspricht, und die direkt an das Joch angrenzt oder über mindestens ein Weicheisenstück, beispielsweise ein weichmagnetisches Adapterstück, an das Joch angrenzt. Der Permanentmagnet weist ferner eine zweite Polfläche auf, die einem zweiten, dem ersten Magnetpol entgegengesetzten Magnetpol entspricht, die, ebenfalls direkt oder über mindestens ein Weicheisenstück, beispielsweise ein weichmagnetisches Adapterstück, an den Streukörper angrenzt. Das Joch weist vorzugsweise ein erstes Ende auf, an dem die Stirnfläche angeordnet ist, oder das indirekt über ein weichmagnetisches Verbindungsstück an die Stirnfläche anstößt, und weist ferner ein zweites Ende auf, das ebenfalls direkt oder indirekt (d. h. über ein weichmagnetisches Verbindungsstück) an die erste Polfläche des Permanentmagneten anstößt. Erfindungsgemäß stößt an dem Ende des Streukörpers, das von dem Permanentmagneten weg gerichtet ist, kein Weicheisenstück mehr an, sondern unmagnetische Werkstoffe wie Kunststoff oder auch Luft, um zu erreichen, dass der Streukörper das Magnetfeld des Permanentmagneten in den Freiraum hineinstreut.
Der magnetische Kreis des Magnetfeldes, das vom Permanentmagneten ausgeht, wird somit über das Joch, über ein Geberrad, über den Freiraum zurück über den Streukörper oder in umgekehrter Richtung geschlossen. Die Verbindungsstücke zwischen Streukörper und Permanentmagnet, zwischen Permanentmagnet und Joch und zwischen Joch und Polfläche können als direkt aneinander stoßende Stirnflächen der jeweiligen Komponenten ausgebildet sein, oder über weichmagnetische Verbindungsstücke. Insbesondere kann die Stirnfläche des Jochs als eine einteilig mit dem Joch ausgeführte Oberfläche entlang einer Radialebene des Jochs, die senkrecht zu einer Längsachse des Jochs verläuft, ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist das Joch mit der Spule umwickelt. Daher umgreift die Spule das Joch und die Windungen, welche die Spule bilden, verlaufen entlang der tangentialen Umlauffläche des Jochs. Das Volumen, das die Spule in ihrem Inneren umgreift, ist vorzugsweise teilweise oder vollständig mit dem Joch ausgefüllt, so dass eine zeitliche Änderung des magnetischen Flusses in dem Joch gemäß dem Induktionsgesetz eine Spannung in der Spule erzeugt, die proportional zur zeitlichen Ableitung des magnetischen Flusses und proportional zur Anzahl der Windungen der Spule ist. Aufgrund von Änderungen in der magnetischen Rückführung des Magnetfeldes des Permanentmagneten, insbesondere in der Nähe der Stirnfläche, können somit Magnetfeldänderungen in dem Freifeld über die Induktionsspannung erfasst werden. Zwischen der inneren Oberfläche der Spule und der äußeren Oberfläche des Jochs kann ein Schutzlack und/oder ein Abschnitt eines Spulenkörpers vorgesehen sein, der ebenfalls den Magneten und die Streuscheibe umgibt. Vorzugsweise ist die Spule konzentrisch zu dem Joch ausgebildet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen der Streukörper, der Permanentmagnet, das Joch und die Spule eine gemeinsame Längsachse auf, wobei das Joch, der Permanentmagnet und der Streukörper nacheinander entlang der Längsachse angeordnet sind und die Spule in der Höhe des Jochs konzentrisch zu dem Joch angeordnet ist. Das Joch, der Permanentmagnet und der Streukörper können jeweils Endflächen aufweisen, die in einer Ebene senkrecht zur Langsachse verlaufen, wobei die jeweiligen Endflächen direkt aneinander stoßen können, oder an ein Zwischenstück bzw. ein Adapterstück anstoßen können, das zwischen dem Joch und dem Permanentmagneten und/oder zwischen dem Streukörper und dem Permanentmagneten eingefügt ist und ebenfalls Endflächen aufweist, die senkrecht zur Längsachse verlaufen. Vorzugsweise sind die Zwischenstücke ebenfalls entlang einer Längsachse angeordnet, die der Langsachse des Permanentmagneten, des Jochs und des Streukörpers entspricht.
Ferner kann eine Halterung vorgesehen werden, die das Joch mit dem Permanentmagneten, den Permanentmagneten mit dem Streukörper, und/oder den Permanentmagneten mit dem Joch und dem Streukörper verbindet, indem es die jeweiligen Komponenten entlang ihres Umfang umgibt.
Vorzugsweise sind der Streukörper und der Permanentmagnet sowie gegebenenfalls eingesetzte Zwischenstücke zylindrisch und weisen vorzugsweise den gleichen Querschnitt auf. Der Streukörper, der Permanentmagnet und gegebenenfalls eingesetzte Zwischenstücke sind vorzugsweise rotationssymmetrisch mit einer Rotationsachse, die entlang der Längsachse verläuft.
Ferner weist das Joch vorzugsweise ebenfalls eine Form auf, die rotationssymmetrisch mit einer Rotationsachse ist, die entlang der Längsachse verläuft. Das Joch ist beispielsweise abschnittsweise konisch ausgebildet, wobei sich das Joch zur Stirnfläche hin verjüngt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Joch ein erstes und ein zweites Ende auf, wobei das zweite Ende direkt an eine Polfläche des Permanentmagneten anschließt und den gleichen Querschnitt wie diese Polfläche aufweist. Das Joch weist vorzugsweise einen ersten zylindrischen Abschnitt auf, der die gleiche Querschnittsfläche wie die Polfläche des Permanentmagneten aufweist, um sich entlang der Längsachse zu der Stirnfläche hin in einer senkrecht zur Längsachse verlaufenden Ebene in der Form einer Schulter sprungartig zu verjüngen, wobei diese Schulter der Befestigung weiterer Komponenten dient. An den ersten zylindrischen Abschnitt schließt sich vorzugsweise entlang der Längsachse zur Stirnfläche hin ein zweiter zylindrischer Abschnitt an, der ebenfalls der Befestigung dienen kann. An den zweiten zylindrischen Abschnitt schließt sich vorzugsweise zur Stirnfläche hin ein sich konisch zur Stirnfläche hin verjüngender Abschnitt an, wobei die Umlauffläche vorzugsweise einen Winkel von 10–45° mit der Längsachse einschließt. An den konischen Abschnitt schließt sich zur Stirnfläche hin vorzugsweise ein dritter zylindrischer Abschnitt an, der eine Endfläche aufweist, die senkrecht zur Längsachse verläuft, und die Stirnfläche bildet.
Vorzugsweise haben das Joch, der Permanentmagnet und der Streukörper die gleiche Form mit unterschiedlichen oder mit gleichen Proportionen, wobei die Querschnittsform der jeweiligen Komponenten vorzugsweise kreisförmig, oval, quadratisch, rechteckig oder polygonal ist. Der konische Abschnitt kann auch als ein in anderer Weise geformter, sich zur Stirnfläche hin verjüngender Abschnitt sein. Vorzugsweise umgreift die Spule das Joch entlang des gesamten konischen und/oder sich verjüngenden Abschnitts. Der Streukörper kann als Zylinder, beispielsweise als Kreiszylinder ausgebildet sein. Alternativ kann sich der Streukörper entlang der Längsachse in einer vom Permanentmagneten weg führenden Richtung verjüngen oder hinsichtlich seiner Querschnittsfläche erweitern. Gemäß einer Ausführung entspricht der Querschnitt des Streukörpers an der Stelle, an der er dem Permanentmagneten am nächsten ist oder diesen berührt, der ersten Polfläche des Permanentmagneten, d. h. der dem Streukörper zugewandten Polfläche.
Der Streukörper und das Joch sowie gegebenenfalls verwendete Zwischenstücke sind vorzugsweise aus weichmagnetischem Material mit hoher Permittivität, beispielsweise Roheisen, niedrig legiertem Stahl, Dynamoblech mit ungefähr 2% Silizium, Trafoblech mit ungefähr 4% Silizium, einer Kobalt-Eisenlegierung, einer Nickel-Eisenlegierung, Mu-Metall, Permalloy, Metallglaskomponenten mit Fe, Ni oder Co oder aus Ferrit-Keramik, vorzugsweise Zirkonlegierungen. Die verwendeten weichmagnetischen Werkstoffe können ferner Zusatzstoffe umfassen, beispielsweise Kleb- oder Stützstoffe, beispielsweise Kunststoffe. Vorzugsweise sind der Streukörper und das Joch als Vollkörper ausgebildet, können jedoch auch einen inneren Hohlraum aufweisen, um eine Befestigung zu vereinfachen.
Der Permanentmagnet ist vorzugsweise aus einem Material mit sehr hoher Koerzitivfeldstärke ausgebildet, beispielsweise einer Legierung mit einem Seltenerdmetall oder einer NdFeB-Legierung. Ferner kann der Permanentmagnet im wesentlichen aus einer SmCo-Legierung ausgebildet sein. Der Permanentmagnet kann ferner aus einem Ferrit-Werkstoff ausgebildet sein, beispielsweise einem Gemisch aus Eisenoxid und Barium- oder Strontiumoxid. Vorzugsweise ist der Permanentmagnet aus einem Magnetmaterial ausgebildet, das eine Koerzitivfeldstärke aufweist, die mindestens 3, mindestens 5, mindestens 14 oder mindestens 17 mal so hoch wie die Koerzitivfeldstärke von AlNiCo ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Permanentmagnet zylindrisch mit einem entlang der gesamten Länge des Permanentmagneten konstanten, kreisförmigen Querschnitt ausgebildet. Die Länge des Permanentmagneten beträgt in einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors vorzugsweise das ca. 0,4–1 fache, das 0,5–0,8 fache oder das 0,6–0,65 fache des Durchmessers des Permanentmagneten. Länge des Permanentmagneten beträgt in einer zweiten Ausführung vorzugsweise das ca. 0,2–0,6 fache, das 0,25–0,5 fache oder das 0,35–0,4 fache des Durchmessers des Permanentmagneten. Der Streukörper weist vorzugsweise einen Durchmesser auf, der dem 0,5–2,0 fachen, dem 0,7–1,5 fachen oder dem 0,9–1,1 fachen der Länge des Streukörpers entspricht, wobei der Streukörper vorzugsweise die Form eines Kreiszylinders aufweist.
In weiteren alternativen Ausführungsformen umgreift die Spule den Streukörper. In einer weiteren alternativen Ausführungsform umfasst der Magnetsensor ein Impulsgeberelement, das sich relativ zum Magnetsensor und insbesondere relativ zu der Stirnfläche bewegen kann, beispielsweise ein Rotor-Zahnrad oder Impulsrad, zumindest dessen Zähne ferromag netische bzw. weich- oder hartmagnetische Eigenschaften aufweisen und somit das magnetische Feld in dem Joch verändern können.
Neben dem oben beschriebenen induktiven Magnetsensor kann das der Erfindung zugrunde liegende Konzept auch durch die Verwendung eines Streukörpers in einem induktiven Magnetsensor umgesetzt werden. Hierzu wird bei der erfindungsgemäßen Verwendung der Streukörper an einer Polfläche eines Permanentmagneten angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass das Magnetfeld des Permanentmagneten im Wesentlichen vollständig durch den Streukörper hindurch tritt, wodurch bei der Verwendung in dem induktiven Magnetsensor das vom Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld in den Freiraum gestreut wird, Dadurch ergibt sich eine hohe Empfindlichkeit für weich- oder hartmagnetische Objekte, die sich in dem Freiraum bewegen. Zusammen mit dem Streukörper können auch weitere, oben beschriebene Komponenten des induktiven Magnetsensors verwendet werden. Insbesondere können Komponenten verwendet werden, die den magnetischen Rückschluss des aus dem Streukörper austretenden Feldes beeinflussen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine Prinzipanordnung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen induktiven Magnetsensors; und
2 eine zweite Ausführung des erfindungsgemäßen induktiven Magnetsensors.
Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen induktiven Magnetsensor mit einem Joch 10, einer Spule 20, einem stabförmigen Permanentmagneten 30 und mit einem Streukörper 40. Der Permanentmagnet weist eine erste Polfläche 32 und eine zweite Polfläche 34 auf. Da in 1 der induktive Magnetsensor im Querschnitt entlang einer Längsachse des Magnetsensors dargestellt ist, verlaufen die Polflächen senkrecht zur Darstellungsebene und sind folglich als vertikal verlaufende Linie dargestellt. Die erste Polfläche 32 entspricht einem ersten Magnetpol, beispielsweise dem Südpol des verwendeten Permanentmagneten, 30 wohingegen die zweite Polfläche dem entgegengesetzten Magnetpol, beispielsweise dem Nord pol, zugeordnet ist. In der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform umfasst das Joch eine Stirnfläche 50, die ebenfalls senkrecht zur Darstellungsebene verläuft. Der Streukörper 40 weist eine erste Endfläche 42 auf, die direkt an die erste Polfläche des Permanentmagneten angrenzt. Das Joch weist ein erstes Ende 52 und ein zweites Ende 54 auf, wobei an dem zweiten Ende 54 des Jochs eine Endfläche ausgebildet ist, die direkt an ein Adapterstück bzw. Zwischenstück 60 angrenzt. Das Zwischenstück 60 grenzt wiederum an die zweite Polfläche des Permanentmagneten direkt an, so dass von der zweiten Polfläche 34 ausgehende Magnetfeldlinien durch das Zwischenstück 60 zu dem zweiten Ende des Jochs übertragen werden, und über das Joch selbst zur Stirnfläche 50 übertragen werden, das an dem ersten Ende 52 des Jochs angeordnet ist. Die Spule 20 umgreift das Joch in der 1 nahezu vollständig entlang eines konischen Abschnitts des Jochs sowie einen Teil eines zylindrischen Abschnitts des Jochs 10. Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform umgreift die Spule 20 das Joch lediglich entlang des gesamten konischen Abschnitts des Jochs. Gemäß einer weiteren alternativen Ausführung umgreift die Spule 20 das Joch lediglich einen Teil des konischen Abschnitts des Jochs. Ferner kann die Spule 20 den gesamten zylindrischen Abschnitt des Jochs 10 oder nur einen Teil hiervon umgreifen.
Der in 1 dargestellte Streukörper 40 kann auch als Streuscheibe dargestellt sein. Der in 1 dargestellte Streukörper hat eine kreiszylindrische Form, kann jedoch auch eine konische Form aufweisen, die sich entlang der Längsachse des induktiven Magnetsensors zur Stirnfläche 50 hin verjüngt. Vorzugsweise haben die jeweiligen Flächen zweier aneinander stoßender Komponenten die gleiche Form und die gleiche Größe. Insbesondere der magnetische Kontakt zwischen Streukörper 40 und Permanentmagnet 30, zwischen Permanentmagnet 30 und Zwischenstück 60, und zwischen Zwischenstück 60 und Joch 10 wird dadurch erreicht, dass die jeweiligen Endflächen direkt oder mit einer nur sehr geringen Lücke aneinander stoßen und die jeweiligen Flächen die gleiche Größe und Form aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform verringert sich die Querschnittsfläche des Streukörpers 40 ausgehend von der ersten Endfläche 42 des Streukörpers zur entgegengesetzten Endfläche des Streukörpers 40.
Im Allgemeinen wird mit dem Begriff „magnetischer Kontakt" die Übertragungsmöglichkeit des magnetischen Flusses bezeichnet und entspricht einer gegenseitigen Beeinflussung des jeweiligen Flusses in zwei beieinander angeordneten Komponenten. Der magnetische Kon takt kann im Allgemeinen durch direktes Aneinanderstoßen bzw. Aneinandergrenzen oder durch Verbinden mittels eines Zwischenstücks, das eine magnetische Führung vorsieht, erreicht werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der Querschnittsverlauf des Jochs in dem konischen Abschnitt nicht linear, sondern entspricht einer beliebigen monotonen oder streng monoton steigenden Funktion. Beispielsweise kann der Verlauf der Verjüngung des Jochs derart gestaltet sein, dass der Sättigungsverlauf innerhalb des Jochs so gleichmäßig wie möglich entlang der Langsachse verläuft, um eine Streuung, insbesondere an Übergangsstellen, zu vermeiden.
In der 2 ist eine zweite Ausführung des induktiven Magnetsensors als technische Ausgestaltung gezeigt, die die beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung darstellt.
Der in 2 dargestellte Magnetsensor umfasst, ebenso wie der in 1 dargestellte Magnetsensor, ein Joch 110, eine Spule 120, einen Permanentmagneten 130, einen Streukörper 140 und ein Zwischenstück 160, das zwischen dem Permanentmagneten 130 und dem Joch 110 eingefügt ist. Wie auch in dem Ausführungsbeispiel von 1 stößt der Streukörper 140 direkt an eine Polfläche des Permanentmagneten 130 an, wobei die andere, entgegengesetzt magnetisierte Polfläche des Permanentmagneten 130 an das Zwischenstück 160 anstößt. Dieses wiederum stellt den magnetischen Kontakt mit dem Joch 110 her. Die erste Polfläche 132 des Permanentmagneten 130 stößt direkt an den Streukörper 140 an, wohingegen die zweite, entgegengesetzte Polfläche 134 direkt an das Zwischenstück 160 anstößt, welches wiederum direkt an eine Endfläche des Jochs an einem zweiten Ende des Jochs 154 anstößt. Das erste Ende des Jochs 152 schließt mit der Stirnfläche 150 ab. An dem zweiten Ende des Jochs 154 ist ein umlaufender Absatz ausgebildet, wobei sich das Joch daran anschließend zu der Stirnfläche 150 hin konisch verjüngt. An den sich konisch verjüngenden Abschnitt des Jochs schließt sich das erste Ende 152 des Jochs an, welches zylindrisch verläuft und mit der Stirnfläche 150 abgeschlossen wird.
Der Streukörper 140, der Permanentmagnet 130, das Zwischenstück 160 und das Joch 110 sind aufeinander entlang einer Langsachse aufgereiht und haben einen kreisförmigen Querschnitt. Das Joch bildet an dem zweiten Ende 154 zu dem Zwischenstück 160 hin eine Stufe aus, die von einer Halterung 170 zumindest teilweise umgriffen wird. Die Halterung umgreift ferner das Zwischenstück 160, den Permanentmagneten 130 und den Streukörper 140, um radiale Verschiebungen dieser Komponenten zueinander zu verhindern. Die Halterung 170 wird ferner von einem Spulenkörper 180 umgriffen, der beispielsweise aus Kunststoff, vorzugsweise Polyamid hergestellt ist. Der Werkstoff der Halterung 170 kann magnetisches oder unmagnetisches Material, beispielsweise Kunststoff oder Metall sein. Der Spulenkörper 180 erleichtert die Handhabung der mittels der Halterung 170 zusammengesetzten Komponenten und das Aufbringen der Spule 120. Der Spulenkörper 180 weist an dem konischen Abschnitt des Jochs 110 ebenfalls eine konische Außenfläche auf, so dass der Spulenkörper 180 an dem Joch 110, insbesondere an dem konischen Abschnitt des Jochs eine konstante Wanddicke aufweist. Die Spule 120 wird daraufhin auf den konischen Abschnitt des Spulenkörpers 180 aufgebracht, beispielsweise durch Aufwickeln oder durch Aufstecken.
Der Spulenkörper 180 sowie die Spule 120 sind von einem Sensorgehäuse 190 umgeben, das die inneren Komponenten des induktiven Magnetsensors schützt und von außen stammende mechanische Belastungen aufnimmt. An dem ersten Ende 152 des Jochs 110 weist das Sensorgehäuse 190 eine Öffnung auf, durch die das erste Ende 152 des Jochs hindurchragt. Vorzugsweise weist das Sensorgehäuse 190 eine Stirnfläche auf, die mit der Stirnfläche 150 des Jochs eben abschließt. Alternativ kann die Stirnfläche 150 des Jochs von der Stirnfläche des Sensorgehäuses 190 leicht hervorragen oder in diesem vertieft eingelassen sein.
Das Sensorgehäuse 190 umschließt ferner einen elektrischen Kontaktbereich 200, in dem ein Stecker eingebracht werden kann, der einen elektrischen Kontakt mit den Anschlüssen der Spule 120 erlaubt. Das Sensorgehäuse 190 weist ferner zwei Wulste 210, 220 auf, die eine äußere Befestigung ermöglichen. Ferner ist ein O-Ring 230 vorgesehen, der durch Presssitz Komponenten des induktiven Magnetsensors verbindet.
Zur Fertigung des in 2 dargestellten induktiven Magnetsensors kann zunächst das Adapterstück 160 auf den Permanentmagneten 130 sowie der Streukörper an den Permanentmagneten 130 geheftet werden. Die Haftkraft ergibt sich aus der Magnetkraft des Permanentmagneten 130. Daraufhin wird das Joch 110 an das Zwischenstück 160 angeheftet, wiederum unter Verwendung der Haftkraft, die sich durch den Permanentmagneten ergibt.
Um eine Verschiebung der so angeordneten Komponenten zu vermeiden, wird daraufhin die Halterung 170 vorgesehen, in die das Joch mit der Stirnfläche voran eingefügt wird. Wie bereits bemerkt, umfasst die Halterung 170 nach innen ragende Schultern, die einen Anschlag für die Schultern des Jochs 110 an dem zweiten Ende 154 des Jochs bieten. Dadurch ergibt sich eine weitere Befestigung entlang der Längsachse. Gegebenenfalls kann die Halterung 170 auch mittels eines Klebemittels mit den in der Halterung 170 vorgesehenen Komponenten verbunden werden. Die Halterung kann auch als Klebeband, Metallband, Kunststoffumspritzung und/oder als ein- oder mehrteilige Halterungssystem ausgebildet sein.
Die Halterung 170, aus der der konische Abschnitt sowie das erste Ende 152 des Jochs ragt, wird daraufhin in den Spulenkörper 180 eingelassen, das insbesondere am konischen Abschnitt des Jochs eine dementsprechende innere Aufnahmefläche aufweist. Alternativ kann dort auch ein entsprechender Anschlag vorgesehen sein. Nachdem das Joch 110 und die Halterung 170 in den Spulenkörper eingelassen sind, und mit diesem befestigt sind, beispielsweise ebenfalls unter Verwendung von Klebemitteln, wird die Spule 120 aufgebracht.
Der Spulenkörper, inklusive der aufgebrachten Spule, wird daraufhin in das Sensorgehäuse 190 eingebracht. Das Sensorgehäuse 190 kann wie dargestellt als Hohlkörper mit den restlichen Komponenten verklebt werden oder kann durch Umspritzen als Vollkörper vorgesehen werden. In gleicher Weise kann die Halterung 170 und/oder der Spulenkörper 180 durch ein Spritzverfahren, durch Gussverfahren oder mittels Klebemittel mit den anderen Komponenten verbunden werden. Zwischen der Spule und der elektrischen Kontaktvorrichtung 200 sind vorzugsweise elektrische Verbindungen vorgesehen, die in der 2 nicht dargestellt sind.
Die in 2 dargestellte Ausführung umfasst einen als Hohlkörper ausgebildeten Spulenkörper 180 sowie ein als Hohlkörper ausgebildetes Sensorgehäuse 190. In diesem Fall können zur stabileren Befestigung weitere Verbindungselemente vorgesehen werden (nicht dargestellt), beispielsweise ein Verbindungselement, das den Streukörper und/oder die Halterung zumindest teilweise umgreift und gegenüber der Innenfläche des als Hohlkörper ausgebildeten Spulenkörpers abstützt, wobei das Verbindungselement vorzugsweise an dem von dem Permanentmagneten weg weisenden Ende des Streukörpers entlang des Umlauffläche der Halterung angebracht ist. Ebenso kann ein Verbindungselement zwischen der umfängli chen Außenfläche der Spule und einem Abschnitt der Innenfläche des Sensorgehäuses zur Erhöhung der Stabilität vorgesehen sein. In einer weiteren Ausführungsform sind Spulenkörper und/oder Gehäuse bzw. Sensorgehäuse teilweise oder vollständig als Vollmaterial ausgebildet, beispielsweise mittels eines Kunststoffspritzverfahrens. Daher kann der Spulenkörper die Außenfläche der Halterung sowie entsprechende Abschnitte des Streukörpers und der Halterung zumindest überwiegend oder vollständig berühren. In gleicher Weise kann das Sensorgehäuse die Außenfläche des Spulenkörpers zumindest überwiegend oder vollständig berühren.

Claims

Induktiver Magnetsensor mit einem Joch (10, 110), einer Spule (20, 120), einem Permanentmagneten (30, 130), der eine erste Polfläche (32, 132) und eine zweite Polfläche (34, 134) aufweist, und einer Stirnfläche (50, 150), wobei das Joch (10, 110) mit der Spule (20, 120), mit der zweiten Polfläche (34, 134) des Permanentmagneten (30, 130) und mit der Stirnfläche (50, 150) in magnetischem Kontakt steht, gekennzeichnet durch einen Streukörper (40, 140), der mit der ersten Polfläche (32, 132) des Permanentmagneten (30, 130) in magnetischem Kontakt steht.
Induktiver Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei die Stirnfläche (50, 150) an einem ersten Ende (52) des Jochs (10, 110) angeordnet ist, das Joch (10, 110) teilweise oder vollständig von der Spule (20, 120) derart umgriffen wird, dass Magnetflussänderungen in dem Joch (10, 110) eine Induktionsspannung in der Spule (20, 120) induziert, die zweite Polfläche (34, 134) des Permanentmagneten (30, 130) an einem zweiten, dem ersten Ende entgegengesetzten Ende des Jochs angeordnet ist, und/oder die erste Polfläche (32, 132) an dem Streukörper (40, 140) angeordnet ist.
Induktiver Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei die Stirnfläche (50, 150) durch eine Oberfläche des Jochs (10, 110) an einem ersten Ende des Jochs gebildet wird, die Spule (20, 120) an eine umlaufende Oberfläche des Jochs angrenzt und um das Joch gewickelt ist, die zweite Polfläche (34, 134) des Permanentmagneten (30, 130) direkt oder über ein weichmagnetisches Adapterstück (60, 160) an ein zweites Ende (54) des Jochs (10, 110) angrenzt, das dem ersten Ende des Jochs entgegengesetzt ist, und/oder die erste Polfläche (32, 132) des Permanentmagneten (30, 130) direkt oder indirekt an den Streukörper (40, 140) angrenzt.
Induktiver Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei der Streukörper (40, 140) und der Permanentmagnet (30, 130) eine zylindrische Form aufweist und das Joch (10, 110) ei nen konischen, sich zur Stirnfläche (50, 150) hin verjüngenden, und/oder einen zylindrischen Abschnitt aufweist.
Induktiver Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei der Streukörper (40, 140), der Permanentmagnet (30, 130) und das Joch (10, 110) abschnittweise oder vollständig eine gemeinsame Querschnittsform und Querschnittsfläche aufweisen, wobei die Querschnittsform einen Kreis, ein Oval, ein Quadrat, ein Rechteck oder ein Polygon bildet.
Induktiver Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei sich der Streukörper (40, 140), der Permanentmagnet (30, 130), die Spule (20, 120) und das Joch (10, 110) entlang einer gemeinsamen Längsachse erstrecken.
Induktiver Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei der Streukörper (40, 140) und das Joch (10, 110) ein weichmagnetisches Material umfassen und der Permanentmagnet (30, 130) ein vormagnetisiertes ferromagnetisches Material umfasst.
Induktiver Magnetsensor nach Anspruch 1, wobei der Streukörper (40, 140) und das Joch (10, 110) ein Material aus Reineisen oder niedrig legiertem Stahl umfassen, und der Permanentmagnet (30, 130) ein Material mit mindestens einem Seltenerdmetall, eine NdFeB-Legierung, eine SmCo-Legierung oder ein Material mit hoher Koerzitivfeldstärke umfasst.
Induktiver Magnetsensor nach Anspruch 1, der ferner ein Impulsgeberelement mit Weicheisenmaterial umfasst, dass relativ zu dem induktiven Magnetsensor beweglich ist.
Verwendung eines Streukörpers (40, 140) in einem induktiven Magnetsensor, der einen Permanentmagneten (30, 130) mit einer Polfläche aufweist, die an dem Streukörper (40, 140) angeordnet ist, wobei das die Polfläche durchtretende Magnetfeld des Permanentmagneten (30, 130) überwiegend oder vollständig durch den Streukörper (40, 140) hindurch tritt und der Streukörper (40, 140) die magnetische Flussdichte des Magnetfeldes verändert.