DE19504229A1 - Positions-Sensoreinrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Positions-Sensoreinrichtung
mit einem in einer Längsrichtung bewegbaren, einen Per
manentmagneten aufweisenden Element und mit wenigstens
einem an der Bewegungsbahn ortsfest angeordneten magnet
feldempfindlichen Sensor.
Magnetfeldempfindliche Sensoren sind in verschiedenen Aus
führungen bekannt, insbesondere als Hall-Elemente oder als
magnetoresistive Elemente (Feldplatten). In der
Zeitschrift "electronic industrie", Heft 5/85 und 6/85,
"Magnetfeldempfindliche Halbleiter-Positionssensoren" sind
solche Sensoren und ihre Anwendungen beschrieben. Um das
Erreichen einer Position eines sich bewegenden Elements
bestimmen zu können, wird dieses mit einem Permanent
magneten versehen, und an der zu detektierenden Stelle
wird ein solcher Sensor seitlich an der Bewegungsbahn an
gebracht. Die verschiedenen magnetfeldempfindlichen Sen
soren weisen nun jeweils unterschiedliche Vorteile und
Nachteile auf. Wird beispielsweise ein Hall-Element ver
wendet, so kann dieses zwar die bei den unterschiedlichen
Feldrichtungen des Magnetfelds unterscheiden, jedoch
wird dabei jeweils nur diejenige Feldkomponente erfaßt,
die senkrecht zur Fläche des Hall-Elements verläuft. Wird
dagegen ein magnetoresistives Element bzw. eine Feldplatte
eingesetzt, so wird die Feldkomponente parallel zur Fläche
dieses Elements erfaßt. Ein solches Element kann jedoch
die beiden entgegengesetzten Feldrichtungen nicht
unterscheiden. Diese Elemente sind sehr empfindlich,
jedoch treten systembedingt neben einem Hauptsignal noch
Nebensignale auf, die zu unerwünschten Mehrfach-
Positionssignalen führen können. Obwohl daher prinzipiell
eine große Sensorempfindlichkeit angestrebt wird, kann
diese zur Vermeidung dieser Mehrfach-Signale nicht genutzt
werden.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die opti
male Empfindlichkeit dieser Sensoren zu nutzen und dabei
gleichzeitig die Gefahr von Mehrfach-Signalen abzuwenden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
zwei erste, auf die Feldkomponente senkrecht zur Bewe
gungsrichtung des Permanentmagneten ansprechende und in
dieser Bewegungsrichtung hintereinander angeordnete Sen
soren vorgesehen sind, zwischen denen ein auf die Feld
komponente parallel zur Bewegungsrichtung der Permanent
magneten ansprechender dritter Sensor angeordnet ist, wo
bei die Ansprechsignale der beiden ersten Sensoren ein
Meßfenster zur Ausblendung von neben dem Hauptsignal auf
tretenden Nebensignalen des dritten Sensors bilden.
Durch das Ausblenden der störenden Anteile in der Magnet
verteilung durch die beiden ersten Sensoren kann eine
solche Positions-Sensoreinrichtung einerseits beliebig
dicht an der Bahn des Permanentmagneten sitzen, und
andererseits kann der maximale Abstand durch Erhöhung der
Empfindlichkeit des dritten Sensors vergrößert werden. Die
Länge bzw. Größe des den aktiven Bereich bildenden
Meßfensters kann im wesentlichen durch den geometrischen
Abstand der beiden ersten Sensoren eingestellt werden. Man
erreicht dadurch eine sehr empfindliche und präzise
Sensoreinrichtung, bei der die Gefahr von Mehrfach-
Signalen dennoch ausgeschlossen ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
im Anspruch 1 angegebenen Positions-Sensoreinrichtung mög
lich.
Der Permanentmagnet ist zweckmäßigerweise in der Bewe
gungsrichtung (axial) magnetisiert, so daß der auf die
Feldkomponente parallel zur Bewegungsrichtung des Perma
nentmagneten ansprechende dritte Sensor ein gutes Meß
signal erhält.
Für die beiden ersten Sensoren eignen sich vor allem
kostengünstige Hall-Sensoren, die vorzugsweise als uni
axiale, bistabile Hall-Sensoren ausgebildet sind. Diese
können flach eingebaut werden, um die Feldkomponente
senkrecht zur Bewegung des Permanentmagneten detektieren
zu können. Hierdurch wird automatisch das Meßfenster da
durch gebildet, daß unterschiedliche Sensorsignale dieser
beiden ersten Sensoren vorliegen. Derartige Sensoren
können platzsparend neben der Bewegungsbahn des Permanent
magneten angeordnet werden. Außerdem können diese Sensoren
zusätzlich zur Erkennung der Bewegungsrichtung des Per
manentmagneten und zur Erkennung der Position desselben
verwendet werden, also zur Erkennung, ob sich der Perma
nentmagnet links oder rechts neben dem Meßfenster oder im
Meßfenster befindet. Dies wird durch die Eigenschaft der
Hall-Sensoren ermöglicht, die Richtung der jeweiligen
Feldkomponente zu erfassen.
Zur Bildung des Meßfensters können einfache elektronische
Mittel vorgesehen werden, die bei ungleichem Schaltzustand
der beiden Hall-Sensoren ein das Meßfenster definierendes
Signal erzeugen.
Der dritte Sensor ist in vorteilhafter Weise als magneto
resistiver Sensor mit hoher Empfindlichkeit ausgebildet.
In konstruktiv günstiger Weise können die Sensoren als
flache Plättchen in einer Ebene nebeneinander angeordnet
werden, vorzugsweise auf einer Trägerplatte zusammen mit
der Auswerteschaltung, so daß ein einziges Bauelement von
geringer Größe die vollständige Positions-Sensoreinrich
tung bilden kann. Hierzu ist die Trägerplatte insbesondere
als Si-Träger ausgebildet, wobei die Sensoren und die
Auswerteschaltung eine durch einen Batch-Prozeß gebildete
Struktur aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der Permanent
magnet an oder in einem Kolben einer Kolben-Zylinder-
Einheit und die Sensoren an oder in der Zylinder
wandung angeordnet. Durch die flache Anordnung der Sen
soren eignet sich die Sensoreinrichtung hierfür besonders
gut, und die Kolbenposition kann sehr präzise erfaßt
werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Positions-
Sensoreinrichtung,
Fig. 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungs
weise und
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Auswerteschaltung.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
auf einem als Si-Plättchen ausgebildeten Träger 10 durch
einen Batch-Prozeß die Komponenten der Positions-Sensor
einrichtung aufgebracht. Es handelt sich dabei um erste
und zweite Sensoren 11, 12, die als uniaxiale, bistabile
Hall-Elemente ausgebildet sind, und zwischen denen ein als
magnetoresistives Element bzw. Feldplatte ausgebildeter
dritter Sensor 13 angeordnet ist. Weiterhin ist eine Aus
werteschaltung 14 auf dem Träger 10 angeordnet, wie sie in
Zusammenhang mit Fig. 3 noch näher erläutert wird.
Die somit insgesamt als flaches Plättchen ausgebildete
Sensoreinrichtung wird neben der Bewegungsbahn 15 eines
Permanentmagneten 16 so angeordnet, daß die drei Sensoren
11-13 in der Bewegungsrichtung hintereinander angeordnet
sind. Der Permanentmagnet ist dabei in der Bewegungsrich
tung (axial) magnetisiert.
Beim Passieren der Sensoreinrichtung sprechen der erste
und zweite Sensor 11, 12 auf die radiale Feldkomponente
des Magnetfelds des Permanentmagneten 16 an, also auf die
senkrecht zur Bewegungsbahn 15 des Permanentmagneten 16
gerichtete Feldkomponente. Dagegen spricht der dritte
Sensor 13 auf die axiale Feldkomponente dieses Feldes an,
also auf die Komponente parallel zur Bewegungsbahn 15 des
Permanentmagneten 16. Der Verlauf der radialen Feldkompo
nente, auf den die Sensoren 11 und 12 ansprechen, ist in
Fig. 2 jeweils als S11 und S12 dargestellt, während die
für den Sensor 13 maßgebliche axiale Feldkomponente mit
S13 bezeichnet ist. Gemäß Fig. 3 wird das Sensorsignal des
Sensors 13 einer Signalformerstufe 17 zugeführt, die bei
spielsweise ein Schmitt-Trigger sein kann. Das Ausgangs
signal dieser Signalformerstufe 17 ist in Fig. 2 mit U17
bezeichnet. An der Signalfolge U17 sind neben dem mittle
ren Hauptsignal die seitlichen unerwünschten Nebensignale
erkennbar.
Die Ausgangssignale der Sensoren 11 und 12 sind mit U11
und U12 bezeichnet. Diese beiden Signale werden gemäß Fig.
3 einem Äquivalenz-Gatter 18 zugeführt, das ein Low-Signal
am Ausgang nur dann erzeugt, wenn die Eingangssignale
unterschiedlich sind. Dieses Ausgangssignal U18 des Äqui
valenz-Gatters 18 gibt ein Meßfenster vor. In Fig. 2 ist
der Fall dargestellt, bei dem sich der Permanentmagnet 16
von links nach rechts bewegt.
Die Signale U17 und U18 werden gemäß Fig. 3 einem Nor-
Gatter 19 zugeführt, durch das die Nebensignale der Signal
folge U17 ausgeblendet werden, so daß nur noch das er
wünschte Hauptsignal als Positionsmeßsignal verbleibt.
Mit der dargestellten und beschriebenen Positions-Sensor
einrichtung läßt sich auch der Aufenthaltsort des Perma
nentmagneten 16 links oder rechts vom Sensor 13 fest
stellen. Weisen die Sensoren 11 und 12 beide ein Low-
Signal auf, so befindet sich der Permanentmagnet 16 links
von der Sensoreinrichtung, und bei Vorliegen von zwei
High-Signalen ist die Position rechts vom Sensor 13. Auch
die Bewegungsrichtung des Permanentmagneten 16 läßt sich
durch die beiden Sensoren 11 und 12 bestimmen.
Bei Erfordernis, also beispielsweise bei anderer Aus
führung der Hall-Sensoren 11 und 12, kann diesen ebenfalls
eine Signalformerstufe bzw. ein Schmitt-Trigger nachge
schaltet sein.
Zur Positionsbestimmung eines Kolbens in einer Kolben-
Zylinder-Anordnung kann der Permanentmagnet 16 beispiels
weise in Form eines Ring-Magneten im Kolben integriert
sein, während die sehr flache Sensoreinrichtung gemäß Fig.
1 an der Zylinderaußenwand angeordnet oder in der Zylin
derwand eingelassen sein kann. Auf diese Weise kann
durch Verwendung mehrerer Sensoreinrichtungen gemäß Fig. 1
eine entsprechende Zahl von Kolbenpositionen exakt be
stimmt werden, beispielsweise Positionen in oder kurz vor
den Endpositionen.
Claims (10)
1. Positions-Sensoreinrichtung mit einem in einer
Längsrichtung bewegbaren, einen Permanentmagneten auf
weisenden Element und mit wenigstens einem an der
Bewegungsbahn ortsfest angeordneten magnetfeld
empfindlichen Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei erste, auf die Feldkomponente senkrecht zur Bewe
gungsrichtung des Permanentmagneten (16) ansprechende und
in dieser Bewegungsrichtung hintereinander angeordnete
Sensoren (11, 12) vorgesehen sind, zwischen denen ein auf
die Feldkomponente parallel zur Bewegungsrichtung der
Permanentmagneten (16) ansprechender dritter Sensor (13)
angeordnet ist, wobei die Ansprechsignale der beiden
ersten Sensoren (11, 12) ein Meßfenster zur Ausblendung
von neben dem Hauptsignal auftretenden Nebensignalen des
dritten Sensors (13) bilden.
2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Permanentmagnet (16) in der Bewegungs
richtung (axial) magnetisiert ist.
3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden ersten Sensoren (11, 12)
Hall-Sensoren sind.
4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Hall-Sensoren (11, 12) als uniaxiale,
bistabile Hall-Sensoren ausgebildet sind.
5. Sensoreinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß elektronische Mittel (18) zur Bildung
des Meßfensters vorgesehen sind, die bei ungleichem
Schaltzustand der beiden Hall-Sensoren (11, 12) ein das
Meßfenster definierendes Signal (U18) erzeugen.
6. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Sensor
(13) als magnetoresistiver Sensor ausgebildet ist.
7. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (11-
13) als flache Plättchen in einer Ebene nebeneinander an
geordnet sind.
8. Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Sensoren (11-13) auf einer Träger
platte (10) zusammen mit einer Auswerteschaltung (14)
angeordnet sind.
9. Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Trägerplatte (10) als Si-Träger ausge
bildet ist, wobei die Sensoren (11-13) und die Auswerte
schaltung (14) eine durch einen Batch-Prozeß gebildete
Struktur aufweisen.
10. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet
(16) an oder in einem Kolben einer Kolben-Zylinder-Einheit
und die Sensoren (11-13) an oder in der Zylinderwandung
angeordnet sind.
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