DE10240407A1 - Magnetischer Wegaufnehmer - Google Patents

Abstract

Der magnetische Wegaufnehmer weist ein erstes Bauteil (1) und ein zweites Bauteil (2) auf, die relativ zueinander beweglich sind, wobei eines der Bauteile mit einem längs einer Bewegungsbahn beweglichen Körper fest verbunden und das andere Bauteil festgelegt ist. Das erste Bauteil (1) bildet einen Magnetkreis mit einem Luftspalt (4), der einen Sensor (5) enthält, welcher auf die in dem Luftspalt herrschende magnetische Induktion anspricht. Das zweite Bauteil (2) ist ein Permanentmagnet, der mit dem ersten Bauteil (1) magnetisch gekoppelt ist. Das erste Bauteil (1) weist einen rohrförmigen Abschnitt (1a) und einen stangenförmigen Abschnitt (1b) auf. Diese Abschnitte sind magnetisch gekoppelt, an einem Ende durch den radial magnetisierten Permanentmagneten (2) und am anderen Ende durch Konzentrationsmittel (1c) zum Konzentrieren des Magnetflusses in den Luftspalt (4). Der Luftspalt (4) wird von den Konzentrationsmitteln (1c) und von dem Ende des stangenförmigen Abschnitts (1b) des ersten Bauteils (1) begrenzt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wegaufnehmer zum Erfassen der Position eines beweglichen Körpers längs einer Bewegungsbahn.
• Aus der DE-A-29 23 644 und EP-A-798541 ist ein derartiger Wegaufnehmer bekannt, der ein erstes und ein zweites Bauteil aufweist, welche relativ zueinander beweglich sind, wobei das eine Bauteil mit dem beweglichen Körper fest verbunden und das andere Bauteil festgelegt ist. Das erste Bauteil definiert einen Magnetkreis mit einem oder mehreren Luftspalten, von denen einer einen Detektor enthält, welcher ein Signal entsprechend der in diesem Luftspalt herrschenden, magnetischen Induktion erzeugt. Ein derartiger Detektor kann beispielsweise von einem Halleffekt-Detektor oder einem auf die Induktion ansprechenden, elektrischen Widerstand gebildet werden, wie dies bekannt ist.
• Das zweite Bauteil weist einen Permanentmagneten auf, der mit dem magnetischen Kreis des ersten Bauteils so gekoppelt ist, dass seine Pole einen Magnetfluss in diesem Kreis induzieren. Die Stärke des induzierten Magnetflusses ist eine Funktion der relativen Lage der beiden Bauteile und somit der Position des beweglichen Körpers auf seiner Bewegungsbahn. Der im Luftspalt angeordnete Detektor gibt ein zu dieser Stärke proportionales Signal an elektronische Mittel ab, die hieraus ein Maß für diese Position ableiten.
• Die bekannten Aufnehmer dieser Gattung sind abhängig von der Empfindlichkeit des verwendeten Detektors. Wenn dieser insbesondere ein Halleffekt- Detektor ist, arbeitet er zufriedenstellend nur dann, wenn der Permanentmagnet in der Lage ist, den Detektor in einen Bereich eintauchen zu lassen, in dem die magnetische Induktion in der Größenordnung von mindestens 10 mT liegt. Um dies zu erreichen, müssen Magnete aus kostspieligen Materialien verwendet werden.
• Bei bestimmten Industrien, wie der Kraftfahrzeugindustrie, verträgt sich dies nicht mit der Forderung nach geringen Herstellungskosten.
• Die vorliegende Erfindung hat somit zum Ziel, einen Wegaufnehmer der eingangs beschriebenen Gattung so weiterzubilden, dass er mit Permanentmagneten relativ geringer Herstellungskosten, wie z. B. Permanentmagneten aus Ferrit, auskommt und dennoch zufriedenstellend arbeitet.
• Dieses Ziel sowie weitere Ziele erreicht die Erfindung mit einem magnetischen Wegaufnehmer zum Erfassen der Position eines beweglichen Körpers längs einer Bewegungsbahn, mit einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, die relativ zueinander beweglich sind, wobei eines der Bauteile mit dem beweglichen Körper fest verbunden und das andere Bauteil festgelegt ist, das erste Bauteil einen Kreis aus ferromagnetischem Material definiert, der mindestens einen Luftspalt aufweist, in dem sich ein Sensor befindet, welcher ein Signal entsprechend der in dem Luftspalt herrschenden magnetischen Induktion erzeugt, das zweite Bauteil einen Permanentmagneten aufweist, der mit dem ersten Bauteil magnetisch gekoppelt ist, um den Magnetkreis zu schließen, und der Wegaufnehmer ferner Mittel aufweist, denen das Signal zugeführt wird, um hieraus ein Maß für die besagte Position abzuleiten, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das erste Bauteil einen rohrförmigen Abschnitt und einen stangenförmigen Abschnitt aufweist, der sich in Richtung der Achse des rohrförmigen Abschnittes erstreckt, wobei die beiden Abschnitte magnetisch gekoppelt sind an einem Ende durch das zweite Bauteil, dessen Permanentmagnet radial magnetisiert ist, und am anderen Ende durch Konzentrationsmittel zum Konzentrieren des Magnetflusses in den Luftspalt, wobei der Luftspalt von den Konzentrationsmitteln und dem zugehörigen Ende des stangenförmigen Abschnittes des ersten Bauteils begrenzt wird.
• Wie weiter unten noch genauer erläutert wird, ermöglicht diese Magnetflusskonzentration einen einwandfreien Betrieb des verwendeten Detektors, insbesondere wenn es sich um einen Halleffekt-Detektor handelt, obgleich der Wegaufnehmer einen kostengünstig herstellbaren Permanentmagneten, wie z. B. einen Magneten aus Ferrit, verwenden kann.
• Weitere, vorteilhafte Eigenschaften gehen aus den Unteransprüchen hervor. Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
• Fig. 1 in schematischer Weise einen Axialschnitt durch einen Wegaufnehmer gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
• Fig. 1A das in Fig. 1 mit A bezeichnete Detail in vergrößertem Maßstab;
• Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht einer zweiten Ausführungsform des Wegaufnehmers gemäß der Erfindung.
• Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen. Der dort dargestellte Wegaufnehmer weist ein erstes Bauteil 1 und ein zweites Bauteil 2 auf, die relativ zueinander beweglich sind. Das eine Bauteil ist mit einem beweglichen Körper (nicht gezeigt) durch irgendwelche Befestigungsmittel fest verbunden, während das andere Bauteil relativ zu diesem beweglichen Körper festgelegt ist.
• Das Bauteil 1 besteht aus einem ferromagnetischen Material, wie z. B. Weicheisen, so dass es einen Magnetkreis bildet. Zu diesem Zweck hat es einen rohrförmigen Abschnitt 1a, der vorzugsweise zylindrisch ist, und einen stangenförmigen Abschnitt 1b, der sich geradlinig längs der Achse X des rohrförmigen Abschnittes 1a erstreckt.
• Der stangenförmige Abschnitt 1b verläuft von einem geschlossenen Ende 1c des rohrförmigen Abschnitts 1a über ein gegenüberliegendes, offenes Ende des rohrförmigen Abschnittes 1a hinaus.
• Das Bauteil 2 wird von einem Permanentmagneten länglicher Form gebildet, die im wesentlichen komplementär zu der der Innenwand des rohrförmigen Abschnitts 1a des Bauteils 1 ist, um in diesen eindringen zu können. Es ist somit in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zylindrisch, wobei sein Außendurchmesser geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Wand des rohrförmigen Abschnittes 1a ist.
• Das Bauteil 2 ist ferner von einem axialen Loch 3 durchdrungen, durch das sich der stangenförmige Abschnitt 1b des Bauteils 1 erstreckt. Der Abschnitt 1b dient somit als Führung für Bewegungen des Permanentmagneten 2 längs der Achse X, und zwar sowohl außerhalb des rohrförmigen Abschnitts 1a des Bauteils 1 wie auch im Inneren desselben.
• Der Permanentmagnet 2 ist radial magnetisiert, wie dies durch die radialen Pfeile f angedeutet wird, die von Süden S nach Norden N, ausgehend von dem Loch 3, zu der Außenfläche des Magneten hin gerichtet sind.
• Aufgrund dieser radialen Magnetisierung lässt sich in den gesamten, rohrförmigen Abschnitt 1a des Bauteils 1 ein Magnetfluss induzieren, dessen Kraftlinie sich am Südpol S über den Boden 1c des stangenförmigen Abschnitts 1b mit Durchquerung eines Luftspaltes 4 zu einem Kreis schließt, einen Luftspalt, der einerseits von diesem Boden 1c und andererseits von dem gegenüberliegenden Ende des stangenförmigen Abschnitts 1b begrenzt wird. Ein auf die magnetische Induktion ansprechender Detektor 5 ist in diesem Luftspalt 4 angeordnet, wie dies in Fig. 1A deutlicher zu erkennen ist. Der Detektor 5 kann von einem auf die Induktion ansprechenden, elektrischen Widerstand oder vorteilhafterweise von einem Halleffekt- Detektor gebildet werden.
• Die Stärke des Magnetflusses, der von dem Permanentmagneten in den Magnetkreis (1a, 1b, 1c) induziert wird, ist der Strecke e proportional, um die der Elektromagnet in das Bauteil 1 eingefahren wurde.
• Der Detektor 5 gibt dann ein elektrisches Signal entsprechend zur Einfahrstrecke und somit entsprechend der Position des beweglichen Körpers längs der Achse X an elektronische Mittel 6 ab, die so ausgebildet sind, dass sie hieraus ein Maß für die Position ableiten.
• Wie weiter oben erläutert wurde, arbeitet der Detektor 5 nur dann zufriedenstellend, wenn er einer magnetischen Induktion von mindestens ungefähr 10 mT unterworfen wird.
• Um diesen Induktionspegel mit einem Wegaufnehmer zu erzielen, der einen Permanentmagneten 2 aus einem kostengünstigen Material, wie z. B. Ferrit, aufweist, ist der Wegaufnehmer der Fig. 1 im Bereich des Luftspalts 4 mit Mitteln zum Konzentrieren des Magnetflusses im Magnetkreis (1a, 1b, 1c) versehen.
• Zu diesem Zweck hat der Boden 1c des Magnetkreises beispielsweise die Form eines Kegelstumpfes, dessen Schnitt in einer zur Achse X senkrechten Ebene eine Fläche hat, die kleiner wird, wenn sich dieser Schnitt dem Luftspalt 4 nähert.
• Die Kraftlinien der magnetischen Induktion in dem Magnetkreis, die sich in dem gesamten, rohrförmigen Abschnitt des Bauteils 1, ausgehend von der Außenfläche des Permanentmagneten 2, ausbreiten, konvergieren radial in den Boden 1c zu dem Luftspalt 4 hin; sie konzentrieren sich somit, bevor sie den Luftspalt durchqueren, um sich an dem Permanentmagneten 2 über die Wand des axialen Loches 3 des Permanentmagneten zu schließen.
• Diese Konzentrierung durch den magnetischen "Linseneffekt" aufgrund der Kegelstumpfform am Boden des Bauteils 1 erlaubt es, den Pegel der magnetischen Induktion im Luftspalt beträchtlich anzuheben, und zwar im Verhältnis S1/S2, worin S1 die Fläche des ringförmigen Querschnitts des rohrförmigen Abschnitts 1a des Bauteils 1 und S2 die Fläche am Ende des Bodens 1c ist, der eine Seite des Luftspaltes 4 begrenzt. Dieses Verhältnis kann sehr groß sein.
• Vorteilhafterweise ist die Fläche S2 größer als die des empfindlichen Teils des Halleffekt-Detektors 5, um irgendwelche Randeffekte zu vermeiden, die die Homogenität der Induktion in diesen empfindlichen Teil und somit die Präzision des vom Detektor abgegebenen Signals beeinträchtigen könnten.
• Um ein Zahlenbeispiel zu geben, könnte die Fläche S2 am Ende des Bodens 1c einen Durchmesser von ungefähr 2 bis 3 mm haben, wenn der empfindliche Teil des Detektors einen Durchmesser von ungefähr 1 mm hat.
• Die Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich von der vorhergehenden Ausführungsform lediglich durch die Konstruktion des magnetischen Bauteils unterscheidet.
• Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird das Bauteil 2' von einem Permanentmagneten 2'a gebildet, der die Form einer radial magnetisierten, kreisförmigen Scheibe hat und von einem zentralen Loch 7 durchdrungen ist, sowie von einer ersten und einer zweiten, zylindrischen Magnetflussführung 8 bzw. 9, die an dem Permanentmagneten 2'a im Bereich des Umfangs des Loches 7 bzw. des Umfangs des Permanentmagneten befestigt sind. Die Führungen 8 und 9 umgeben den stangenförmigen Abschnitt 1b des rohrförmigen Abschnitts 1a des Bauteils 1, wobei sie dieses verlängern, um gemeinsam einen Magnetkreis zu bilden, der im wesentlichen dem der Fig. 1 entspricht.
• Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 hat den Vorteil, dass die Herstellung des Permanentmagneten in Form einer Scheibe geringer Dicke einfacher und somit weniger kostspielig ist und dass die Magnetflussführungen außerdem eine mechanische Führung höherer Qualität sicherstellen.
• Aus dem oben Stehenden dürfte deutlich geworden sein, dass sich mit der Erfindung das angestrebte Ziel erzielen lässt, und zwar die Erschaffung eines magnetischen Wegaufnehmers, der sich kostengünstig herstellen lässt und sein Betriebsverhalten dennoch vergleichbar ist mit dem vorbekannter Wegaufnehmer, welche größere Herstellungskosten bedingen.
• Der erfindungsgemäß ausgebildete Wegaufnehmer hat ferner weitere Vorteile. Da der dargestellte Wegaufnehmer bezüglich seiner Achse drehsymmetrisch ist, werden keine parasitäre Kräfte bzw. Momente auf das bewegliche Bauteil des Wegaufnehmers ausgeübt, wobei die Führung dieses Bauteils hierdurch vereinfacht wird. Die Fertigung und Montage des Wegaufnehmers sind ebenfalls vergleichsweise einfach, da alle Bauteile des Wegaufnehmers rohrförmig ausgebildet sind. Die Führung des Permanentmagneten durch die zentrale Stange verbessert die Unempfindlichkeit des Wegaufnehmers gegenüber Verschiebungen in eine Richtung, die von der der Achse der Stange verschieden ist.
• Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Wenngleich der beschriebene Wegaufnehmer zum Erfassen der Position eines beweglichen Körpers längs einer geradlinigen Bewegungsbahn dient, könnte er ohne weiteres auch an eine gekrümmte Bewegungsbahn angepasst werden, indem man der Längsachse des Wegaufnehmers eine entsprechende Form gibt.

Claims (8)

1. Magnetischer Wegaufnehmer zum Erfassen der Position eines beweglichen Körpers längs einer Bewegungsbahn, mit einem ersten Bauteil (1) und einem zweiten Bauteil (2, 2'), die relativ zueinander beweglich sind, wobei eines der Bauteile mit dem beweglichen Körper fest verbunden und das andere Bauteil festgelegt ist, das erste Bauteil (1) einen Kreis aus ferromagnetischem Material definiert, der mindestens einen Luftspalt (4) aufweist, in dem sich ein Sensor (5) befindet, welcher ein Signal entsprechend der in dem Luftspalt (4) herrschenden, magnetischen Induktion erzeugt, das zweite Bauteil (2, 2') einen Permanentmagneten aufweist, der mit dem ersten Bauteil (1) magnetisch gekoppelt ist, um den Magnetkreis zu schließen, und der Wegaufnehmer ferner Mittel (6) aufweist, denen das Signal zugeführt wird, um hieraus ein Maß für die besagte Position abzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1) einen rohrförmigen Abschnitt (1a) und einen stangenförmigen Abschnitt (1b) aufweist, der sich in Richtung der Achse (X) des rohrförmigen Abschnittes (1a) erstreckt, wobei die beiden Abschnitte magnetisch gekoppelt sind an einem Ende durch das zweite Bauteil (2, 2'), dessen Permanentmagnet (2, 2'a) radial magnetisiert ist, und am anderen Ende durch Konzentrationsmittel (1c) zum Konzentrieren des Magnetflusses in den Luftspalt (4), wobei der Luftspalt von den Konzentrationsmitteln (1c) und dem zugehörigen Ende des stangenförmigen Abschnittes (1b) des ersten Bauteils (1) begrenzt wird.

2. Wegaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentrationsmittel (1c) in Schnittebenen senkrecht zu der Achse (X) des ersten Bauteils (1) eine Fläche haben, die kleiner wird, wenn sich die Schnittebene in Richtung auf den Luftspalt (4) verschiebt.

3. Wegaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass die Fläche des Endquerschnitts der Konzentrationsmittel größer als die empfindliche Fläche des Detektors (5) ist.

4. Wegaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (5) ein Halleffekt-Detektor ist.

5. Wegaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (2) eine längliche Form hat, die komplementär zu der des rohrförmigen Abschnittes (1a) des ersten Bauteils (1) ist, um in diesen eindringen zu können, wobei der stangenförmige Abschnitt (1b) des ersten Bauteils (1) durch ein axiales Loch (3) des Permanentmagneten (2) verläuft.

6. Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (2'a) die Form einer kreisförmigen Scheibe hat, die von einem zentralen Loch (7) durchdrungen ist, wobei die Scheibe einer ersten, rohrförmigen Magnetflussführung (8) und einer zweiten, rohrförmigen Magnetflussführung (9) zugeordnet ist, welche zu der Scheibe des Permanentmagneten koaxial und an dieser im Bereich des Umfangs des Loches (7) bzw. des Umfangs der Scheibe befestigt sind, wobei die erste und zweite, rohrförmige Führung (8, 9) axial mit der Scheibe bezüglich des stangenförmigen Abschnittes (1b) bzw. rohrförmigen Abschnittes (1a) des ersten Bauteils (1) beweglich sind.

7. Wegaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt (1a) eine geradlinige Längsachse (X) hat.

8. Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt (1a) eine gekrümmte Längsachse hat.