DE10036910A1 - Positionssensor - Google Patents

Abstract

Ein magnetischer Positionssensor enthält einen quer zur Richtung (X) der bestimmenden Positionsänderung magnetisierten Magneten (1), der längs dieser Richtung verschiebbar zwischen den Schenkeln eines Joches (2) gelagert ist, welches einen magnetischen Rückschluss für das Magnetfeld bildet. In den Luftspalten zwischen den Polen (N), (S) des Magneten (1) und den Jochschenkeln sind Feldplatten (5) angeordnet, deren bei Verschiebungen des Magneten (1) sich ändernde elektrische Widerstände mit Hilfe einer Messbrücke als Maß für die Positionsänderung des Magneten gemessen werden können (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Positionssensor mit einem positi­ onsabhängigen Magnetfeld ausgesetzten magnetoelektrischen Ele­ menten und mit einer Messeinrichtung für deren magnetfeldabhän­ gigen Widerstand.

Die Positionssensoren bzw. Drehwinkelgeber sind wichtige Bau­ elemente für eine Vielzahl von Anwendungen in Industrie und Forschung. Auf magnetosensitiven Elementen (Feldplat­ ten/Hallsensoren) basierende Positionsmesseinrichtungen sind bekannt. Bei ihnen hat die zu messende Positionsänderung eine Variation des das magnetosensitive Element durchsetzenden mag­ netischen Flusses B und eine damit verbundene Änderung von des­ sen elektrischer Eigenschaften X (elektrischer Widerstand/­ Hallspannung) zur Folge. Um ein großes Messsignal

zu erhalten, muss die Änderung des magnetischen Flusses groß sein. Da die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der magnetischen Feldstärke für gebräuchliche magnetoresistive Ma­ terialien quadratisch ist, ist wegen der Proportionalität zwi­ schen

eine hohe Grundfeldstärke anzustreben. Magneti­ sche Kreise mit großen Luftspalten, wie z. B. in DE 43 41 890 beschrieben, erlauben lediglich geringe magnetische Feldstär­ ken. In diesem und weiteren verbreiteten Systemen ist das magnetoresistive Element ortsfest mit einem Permanentmagneten gekoppelt. Bei Annäherung eines Weicheisenstücks wird der mag­ netische Fluß durch die Feldplatte konzentriert und führt zu einer Änderung des Feldplattenwiderstandes von typischerweise 30% des Anfangswertes.

Der Einsatz eines Joches zur Magnetfeldverstärkung wird z. B. in der US-PS 5369361 beschrieben. Dort wird aufgrund der großen Masse der Joch/Magnetanordnung das magnetosensitive Element be­ weglich ausgeführt. Für Anwendungen hoher Zuverlässigkeit stel­ len bewegliche elektrische Kontakte jedoch mögliche Fehlerquel­ len dar. Auch eine ausreichende thermische Ankopplung ist für bewegliche Sensoren schwierig zu erreichen, aufgrund der Tempe­ raturabhängigkeit des elektrischen Widerstands jedoch nötig. Werden derartige Sensoren zur Positionsbestimmung von empfind­ lich gelagerten Strukturen eingesetzt, kann es aufgrund der magnetischen Anziehung des Weicheisens zu unerwünschten Positi­ onsverfälschungen durch Querkräfte in Auslenkrichtung kommen. Magnetische Hysterese im Weicheisenteil führt ebenfalls zu La­ geveränderungen des Messobjekts.

Um eine ausreichende Störsicherheit zu gewährleisten werden z. B. gemäß der DE 41 09 658 magnetische Sensoren mit einer Ab­ schirmung versehen. Dies ist wichtig, da sich Positionssensoren und Drehwinkelgeber oftmals in der Nähe von Motoren mit hohen Störfeldern befinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Positionssensor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der einen zuverlässigen Betrieb über viele Millionen Auslenkzyklen bei geringster Ver­ lustleistung garantiert, unempfindlich gegen magnetische Stör­ felder ist und auch bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes störungsfrei arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü­ chen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist im Zusammenhang mit einem heliumgekühlten (-269°C) Satellitenexperiment entwickelt worden, für das ein Drehwinkelgeber mit einem Messbereich von +/-9° bei einer Auflösung von 0,5' benötigt wird. Er wird für die Regelung einer optischen Ablenkeinheit (Chopper) eingesetzt und erfordert zu­ verlässigen Betrieb über ca. 630 Mio. Auslenkzyklen bei ge­ ringster Verlustleistung. Für die Justierung des Instruments ist außerdem Betriebsfähigkeit bei Raumtemperatur nötig. Die Anforderung der hohen Lebensdauer lässt lediglich berührungs­ freie Messverfahren zu, wobei induktive und kapazitive Weggeber wegen des zur elektrischen Positionsauswertung erforderlichen Wechselstroms potentielle Störquellen auf dem Satelliten (emp­ findliche Detektoren) darstellen. Ein magnetosensitiver Encoder ermöglicht dagegen die Auswertung mittels einer störungs­ unempfindlichen Gleichstrommessung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der magnetische Kreis des beweglichen Versorgungsmagneten durch ein ringförmiges Joch aus hochpermeablem ULTRAPERM 250 geschlossen. Am Ort der Feldplatte wird durch den Einsatz eines Hochleis­ tungsmagneten aus z. B. NdFeB VACODYM 344 HR eine Feldstärke von 0,9 T erreicht, die zu einer außerordentlichen hohen Emp­ findlichkeit des Positionssensors führt. Bei Überdeckung mit dem Permanetmagnet verfünffacht sich der elektrische Widerstand gegenüber seinem Anfangswert. Durch differentielle Messung mit einer Vollbrücke führt dies bei einer Versorgungsspannung von z. B. 0.3 V zu einer Positionsempfindlichkeit von 3.8 µV/". Dies liegt mehr als eine Größenordnung über der von bekanntge­ wordenen Systemen für kryogene Anwendungen (Downey, C., Houk, J., Kubitschek, M., Tarde, R., 1991, Arcsecond grating drive for operation at 4 K, Cryogenics 31, 1031). Die niedrige Ver­ sorgungsspannung führt dabei zu einer Leistungsaufnahme von le­ diglich 150 µW. Durch den kleinen Luftspalt dringt das Feld des Magneten stark gerichtet in den Rückschluß ein. Bei Bewegung des Magneten weist damit das Feld am Ort der Feldplatte annä­ hernd die geometrische Form des Magneten auf und führt zu einem linearen Zusammenhang zwischen Auslenkung und Widerstandsände­ rung. Aufgrund der hohen magnetischen Leitfähigkeit des Joches verlaufen bei dem erfindungsgemäßen Sensor die magnetischen Feldlinien nach senkrechtem Einfall parallel zu dessen Oberflä­ che. Dies unterdrückt die Effekte verbleibender Hysterese, die zusätzlich durch den Einsatz von Material geringer Koerzitiv­ feldstärke minimiert wurde. Da die Bewegung des Magneten inner­ halb des Joches keine Vorzugsposition aufweist, sind störende magnetische Kräfte nicht vorhanden. Die geometrische Auslegung des Jochs erfolgt z. B. mit Hilfe einer numerischen Simulations­ rechnung.

Bei der vorliegenden Erfindung sorgt das Statorjoch selbst für eine ausreichende magnetische Abschirmung der empfindlichen Feldplatten ohne den Störfluß wie etwa im Falle der DE 197 05 835 durch die magnetosensitiven Elemente zu leiten.

Durch den Einsatz von Hochleistungsmaterialien können die Ab­ messungen des Sensors sehr klein gehalten werden. So hat der Permanentmagnet eine Größe von 3 × 3 × 3 mm³, was bei einer prakti­ schen Ausführung als Drehwinkelgeber zu einem Trägheitsmoment von J = 10^-9 kg m^-2 führt. Verglichen mit kapazitiven Sensoren, die in der Regel für schnell bewegte Scannersysteme eingesetzt werden (Stokes, B., 1991, High accuracy capacitive position sensing for low inertia actuators, SPIE Proceedings Vol. 1454, 223), wird beim vorliegenden Aufbau ein günstiges Verhält­ nis von Positionsgenauigkeit zu Trägheitsmoment erreicht.

Die vorliegende Erfindung bietet eine Reihe bedeutsamer Vortei­ le:

• - Hohe Winkelauflösung bei großem dynamischen Bereich (18 Bit)
• - Minimale elektrische Leistungsaufnahme (150 µW)
• - Hohe elektrische Bandbreite (15 kHz)
• - Einsetzbarkeit im Temperaturbereich von < 4 K bis < 300 K mit nur 20% Änderung der elektrischen Eigenschaften im Bereich 4 K-300 K
• - Lineare Kennlinie zwischen Auslenkung und Ausgangsspannung
• - Kleines Trägheitsmoment des bewegten Teils (10^-9 kg m^-2)
• - Störungsunempfindlich durch magnetische Abschirmung
• - Keine störenden magnetischen Querkräfte
• - Einfache und störungsarme elektrische Auswertung durch Gleichstrommessung
• - Kompakt, für schnell bewegte Systeme geeignet.

Das Betriebsverhalten einer praktischen Ausführung wurde in mehreren Tests über einen Temperaturbereich von 4-300 K über­ prüft. Mit den oben erwähnten Dimensionen erreicht der Positi­ onssensor als Drehwinkelgeber einen nutzbaren Winkelbereich von +/-15° bei einer Auflösung von < 1". Als Verschiebungssensor kann eine Auslenkung von +/-1.5 mm mit 27 nm Auflösung erfasst werden. Für diese Messungen wurde ein einfacher elektronischer Aufbau ohne besondere Vorkehrungen für hohe Stabilität einge­ setzt. Mit einigen Verbesserungen ist eine Messgenauigkeit im sub-"Bereich denkbar.

Positionssensor/Drehwinkelgeber haben eine außerordentliche technische Bedeutung. Von besonderem Interesse ist die Eignung für tiefe (LN₂) und tiefste (LHe) Temperaturen mit geringster Wärmeentwicklung, Anforderungen die in Zukunft bei einigen kry­ ogenen Satellitenmissionen (Next Generation Space Telescope, DARWIN, . . .) auftreten werden.

Die Erfindung sei nun anhand eines in den beiliegenden Zeich­ nungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionssensors,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf den Sensor nach Fig. 1 und

Fig. 3 die Veranschaulichung einer Messeinrichtung in Form einer Brückschaltung.

Die Erfindung ist in Fig. 1 veranschaulicht anhand einer Anord­ nung zur berührungslosen Erfassung der Position eines bewegli­ chen Permanentmagneten relativ zu einem ringförmig geschlosse­ nen Statorjoch 2 aus magnetisch hochpermeablem Material. Der Magnet ist hierzu in Richtung der Längsachse x verschiebbar in der Mittelöffnung 3 des Jochs angeordnet und senkrecht zur Be­ wegungsrichtung axial polarisiert wie die Polbezeichnungen N und S anzeigen. Die Lagerung des Magneten 1 erfolgt hier an ei­ nem Speichenarm 6, dessen Nabe oder Drehachse 7 bei Bewegungen des Magneten 1 ihre Winkelposition ϕ verändert, so dass diese gemessen werden kann. In den planparalleln Luftspalten 3a zwi­ schen den Polflächen 4 des Magneten 1 und der Innenseite des Jochs 2 sind insgesamt vier magnetoresistive Elemente 5a-d in Form von Feldplatten derart angebracht, dass vor jeder der bei­ den Polflächen 4 des Magneten 1 zwei Feldplatten 5a, b und 5c, d in Bewegungsrichtung des Magneten nebeneinander angeordnet sind. Die Nullage des Sensors ist dadurch definiert, dass auf beiden Seiten jeweils ein Element 5a bzw. 5d vollständig vom Magneten 1 bedeckt wird, während das andere Element 5b bzw. 5c im magnetisch weitgehend feldfreien Bereich liegt.

Die Draufsicht auf die erfindungsgemäße Anordnung gemäß Fig. 2 läßt den Verlauf der Magnetflüsse erkennen, die durch zwei ge­ schlossene Feldlinien veranschaulicht sind, welche den Magneten 1 verlassen, den einen Luftspalt 3a durchsetzen, die beiden Hälften des Joches 2 durchlaufen und durch den anderen Luft­ spalt 3a wieder in den Magneten 1 eintreten. Man erkennt deut­ lich die Überdeckung der Feldplatten 5b und 5c durch den Magne­ ten 1, während die anderen beiden Feldplatten 5a und 5d vom Feld des Magneten 1 nicht durchsetzt werden, solange sich die­ ser in der eingezeichneten Ruhelage befindet.

Eine Bewegung des Permanentmagneten entlang der Achse x führt zur wechselseitigen Änderung des magnetischen Flusses durch die vier Elemente, so dass sich deren Widerstände ändern. Diese Än­ derungen der elektrischen Widerstände lassen sich mittels einer aus einer Spannung Ue gespeisten Vollbrückenschaltung in ein zur Auslenkung x proportionales Spannungssignal Ub umsetzen, das ein Maß für die Auslenkung des Magneten 1 ist. Diese Aus­ lenkung kann im Rahmen der Erfindung je nach Lagerung des Mag­ neten linear - oder wie angedeutet - kreisbogenförmig sein, so dass man lineare oder Winkelpositionen messen kann.

Bezugszeichenliste

1

Permanentmagnet

2

Statorjoch

3

Mittelöffnung

3

b Luftspalte

4

Polflächen

5

Feldplatten

6

Speichenarm

7

Drehachse

Claims (6)

1. Positionssensor mit einem positionsabhängigen Magnetfeld ausgesetzten magnetoresistiven Elementen und mit einer Mess­ einrichtung für den magnetfeldabhängigen Widerstand der magnetoresistiven Elemente, dadurch gekennzeichnet, dass ein quer zur Richtung (X) der zu bestimmenden Positionsänderung magnetisierter Magnet (1) längs dieser Richtung (X) verschiebbar zwischen den Schenkeln eines Joches (2) gelagert ist, das einen magnetischen Rückschluß für das Feld des Magneten bildet, und dass die magnetoresistiven Elemente (5a, b, c, d) zwischen diesen Schen­ keln und den Polen (N), (S) des Magneten (1) angeordnet sind.

2. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch (2) eine geschlossene Umfangsstruktur hat mit einer rechteckigen Mittelöffnung (3), innerhalb deren die magnetoelektrischen Elemente (5a, 5b bzw. 5c, 5d) einander ge­ genüberliegend angebracht sind und dass der Magnet (1) inner­ halb dieser Öffnung (3) zwischen den magnetoelektrischen Ele­ menten parallel zu diesen verschiebbar gelagert ist.

3. Positionssensor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine rechteckige Jochkonfiguration.

4. Positionssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Winkelpositionsbestimmung der Magnet (1) an einem Speichenarm (6) sitzt, dessen Nabe die Drehachse (7) des zu messenden Winkels (ϕ) bildet.

5. Positionssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den beiden Spalten (3a) zwi­ schen den Magnetpolen (N, S) und den Jochschenkeln jeweils ein Paar von in Bewegungsrichtung des Magneten gesehen hinterein­ ander angeordneten Feldplatten (5a, 5b bzw. 5c, 5d) als mag­ netoelektrische Elemente vorgesehen sind und dass die Mess­ einrichtung eine Brückenschaltung aufweist, in deren Brück­ zweigen die vier Feldplatten als Widerstände liegen.

6. Positionssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldplattenpaare (5a, 5b bzw. 5c, 5d) so gegeneinan­ der versetzt angeordnet sind, dass in der Mittellage des Mag­ neten (1) nur jeweils eine Feldplatte (5a bzw. 5d) jedes Paa­ res (5a, 5b; 5c, 5d) einem Magnetpol (N) bzw. (S) gegenüber­ liegt, während die andere Feldplatte (5b bzw. 5c) frei liegt.