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Die
Erfindung betrifft einen Sensormagneten nach dem Oberbegriff des
Anspruches 1 und bezieht sich ferner auf eine Magnetisierspule für dessen
Magnetisierung.
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Zum
Erfassen von Längen,
Winkeln und Absolutpositionierungen werden in der Meß- und Automatisierungstechnik
bisher vorwiegend optische Meßsysteme
eingesetzt. Obwohl diese Meß-Systeme
eine hohe Genauigkeit haben, erweisen sie sich unter rauhen Einsatzbedingungen
als störanfällig. In letzter
Zeit wird daher versucht, derartige Meßsysteme auf der Basis von
Magnetfeld-Sensoren und mehrpolig magnetisierten Dauermagneten auszubilden.
Die Kodierung der Sensormagnete erfolgt mittels eines aufgeprägten Nord-Süd-Pol-Musters
auf einer oder mehreren Spuren. Die Lage von Nord- und Südpolen kann
mit einem oder mehreren digitalen Magnetfeld-Sensoren ausgewertet
werden. Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß bei nicht symmetrisch magnetisierten
Dauermagneten (breite und schmale Nord- bzw. Südpole als unmittelbare oder
mittelbare Nachbarn) es zu einer Verschiebung der Feldstärke und
der Steilheit der Flanken der Induktionskurve in einem definierten
Abstand (Lage des Sensors) im Bereich der Nord-Süd-Übergänge kommt.
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Erschwerend
kommt hinzu, daß die
zur Verwendung kommenden Magnetfeld-Sensoren eine Schalthysterese
besitzen und damit auch eine gewisse Ungenauigkeit bei der Auswertung
der Position verursachen. Diese physikalischen Vorgänge haben einen
direkten Einfluß auf
die Genauigkeit und den Einsatz solcher Positioniersysteme.
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Aufgrund
der Schalthysterese sollte diese Magnetisierung einen möglichst
großen
Feldgradienten in der Nähe
der Schaltempfindlichkeit des Sensormagneten besitzen.
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Ergänzend hierzu
ist zu bemerken, daß in zunehmendem
Maße Permanentmagnete
in Kombination mit einem Sensorelement (z. B. Hallsensor, Feldplatte,
GMR- bzw. GIANT MAGNETO RESISTANT-Sensor o.ä.) zur Positionserfassung eingesetzt werden.
Hierbei kann eine lineare Verschiebung zwischen Magnet und Sensor
oder aber auch eine Drehbewegung eines Magnetrotors bei stirnseitiger
oder lateraler Magnetisierung erfaßt werden.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP
0 718 494 A2 betrifft eine Vorrichtung zum Magnetisieren eines
magnetischen Materials zur Herstellung von Magnetpolen mit ungleichförmiger Stärke in einem magnetischen
Codierer. Die beschriebene Magnetisierungsvorrichtung ist derartig
ausgebildet, dass in dem Magnetisierungsmuster des Codierers der Nordpol
symmetrisch mit der maximalen Magnetisierung in der Mitte zwischen
den Polübergängen liegt, während die
maximale Magnetisierung des Südpols in
Richtung zu einem Polübergang
verschoben ist.
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Bei
vielen Anwendungen werden hohe Anforderungen an die Genauigkeit
der Lage des Polüberganges
gestellt. Diese Übergangsschärfe wird
im Allgemeinen durch die Genauigkeit der Magnetisierspule bestimmt.
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In
einigen Fällen
sind statt regelmäßiger Schaltmuster
gleicher Polbreite unregelmäßige Schaltmuster
gefordert, das heißt
die Breite der Pole, über
denen der Schaltzustand des Sensors definiert ein- oder ausgeschaltet
ist, variiert von Pol zu Pol. Selbst bei beliebig exakter Magnetisierung
wird hierbei durch die Gesetzmäßigkeit
der Streufelder magnetostatisch der Nulldurchgang der erfaßten Induktion
zwischen den Polen gegenüber
dem Magnetisierungswechsel verschoben. Die Verschiebung hängt unter
anderem vom Meßabstand
ab, so daß auch
bei exakter Magnetisierung die Schaltpunkte gegenüber ihrer
idealen Lage verschoben sind. Die gleiche Problematik tritt bei
mehrspurigen Magnetisierungen auf, bei denen die Pole der Nachbarspuren
den Nulldurchgang über
einer Spur verschieben.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Magnetisierung des Sensormagneten
bei der Entwicklung solcher Positioniersysteme so zu beeinflussen,
daß diese
Verschiebung sinnvollerweise am geringsten ist, und eine Magnetisierungsart
zu entwickeln, bei der die Streufeldwirkung breiter Pole nur geringfügig auf
in der Nähe
befindliche Polübergänge wirkt.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
daß jeder
Schaltbereich des Sensormagneten in der Mitte zwischen den Polübergängen eine
stark reduzierte Magnetisierung aufweist und die Magnetisierung
im Bereich der Polübergänge am höchsten ist
und dort möglichst
schnell in der Richtung umkehrt.
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Besonders
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis
9 gekennzeichnet, während
der Anspruch 10 auf eine Magnetisierspule zum Magnetisieren von
Sensormagneten nach der Erfindung gerichtet ist.
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Zur
Detektion der erfindungsgemäßen Magnetisierung
sind bipolar schaltende Sensoren besonders geeignet, bei denen die
Schaltzustände
in Feldern entgegengesetzter Vorzeichen wechseln. Diese Sensoren
haben eine Schalthysterese, die den Nulldurchgang überdeckt,
das heißt
der Schaltzustand des Sensors bleibt bei dem Rückgang des Feldes auf einen
sogar kleinen Feldwert entgegengesetzten Vorzeichens erhalten.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Magnetisierung besteht auch darin, daß zur Aufmagnetisierung
der verwendeten Dauermagnete relativ einfache Spulen verwendet werden
können,
da Felder in der Größenordnung
der Sättigungsfelder
beim Magnetisierpuls nur im Bereich der Polübergänge benötigt werden. Die Stromleiter
müssen
damit den gesamten Polbereich nicht mehr zwangsläufig umschließen.
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Die
magnetische Vorzugsrichtung des Magnetmaterials kann entweder in
Bewegungsrichtung oder senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufen. Solche
Sensormagneten können
auch mehrspurig ausgebildet sein und als Teil einer Schalteinheit
in Kombination mit einem bipolaren Magnetfeldsensor eingesetzt werden.
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Eine
Magnetisierspule zum Magnetisieren von derartigen Sensormagneten
zeichnet sich außerdem
besonders dadurch aus, daß die
Stromleiter der Magnetisierspule die Polbereiche nicht vollständig und
eng umschließen.
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Als
besonders vorteilhaft sowohl für
die Magnetisierung als auch für
die Abtastung solcher Sensormagnete hat es sich erwiesen, wenn die
Magnetisierung des Sensormagneten innerhalb der breiteren Schaltbereiche
zwischen den Polübergängen auf
weniger als 60 % der absoluten Magnetisierung in der Nähe der Polübergänge zurückgeht.
Die Magnetisierung kann dabei im Bereich der Mitte der breiteren Schaltbereiche
nahezu verschwinden und unter 10 % der Sättigungsmagnetisierung zurückgehen.
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Solche
Sensormagnete können
vorteilhafterweise als Rotormagnet mit stirnseitiger Magnetisierung
oder auch als Rotormagnet mit Magnetisierung am Außenumfang
ausgebildet sein. Davon abweichende Ausgestaltungen kommen je nach
Einsatz und Verwendungszweck ebenso in Frage.
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Die
Erfindung wird anhand der beiliegenden schematischen Zeichnungen
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen
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1 einen
herkömmlich
magnetisierten Sensormagneten mit vier entgegengerichteten Polen unterschiedlicher
Breite und die darüber
gemessene Induktion schematisch sowie die resultierenden Schaltzustände eines
bipolaren Sensors mit den entsprechenden Schaltschwellen,
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2 einen
erfindungsgemäß magnetisierten
Sensormagneten, bei dem die Polübergänge durch
drei Einzelleiter erzeugt wurden,
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3 die
Magnetisierungsart bei einem Sensormagneten, der in Verschiebungsrichtung
eine anisotrope Ausrichtung besitzt, bei gleicher Magnetisierung
wie in 2, wobei die Empfindlichkeit des abgetasteten
Signals gegenüber
Störfeldern
verkleinert wird,
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4 einen
entsprechenden Sensormagneten zu 2 und 3 bei
Vorzugsrichtung senkrecht zur Oberfläche, wodurch die Schaltschärfe und -genauigkeit
positiv beeinflußt
wird,
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5 den
Stromweg zwischen Stromeingang und Stromausgang einer Spule zur
7-spurigen Aufzeichnung eines Digitalmusters zur Drehpositionserfassung
einer Scheibe bei stirnseitiger Abtastung,
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6 einen
mit der Spule von 5 stirnseitig magnetisierten
Rotormagneten und
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7 einen
am Umfang magnetisierten Rotomagneten mit zugeordneten bipolar schaltenden Sensoren,
die als Hallsensor, Feldplatte oder GMR-Sensor ausgebildet sein
können.
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Die
in 1 bis 4 gezeigten Sensormagnete 1 haben
Magnetisierungsmuster mit mindestens zwei verschieden breiten Schaltbereichen 1a, 1b zwischen
den Polübergängen 2 auf
einer oder mehreren Spuren zur Felderzeugung zur Abtastung in Verbindung
mit einem bipolar schaltenden Sensor.
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Bei
dem Sensormagneten 1 von 1 handelt
es sich um einen herkömmlich
magnetisierten Magneten mit vier Polen 3 entgegengerichteter
Polarität 4,
wobei über
den vier Polen 3 die magnetische Flußdichte "B" in
Verbindung mit dem Pegel "a" für das EIN-Schalten
eines bipolaren Schalters und dem Pegel "b" für das AUS-Schalten
eines solchen bipolaren Schalters aufgetragen ist. Die daraus resultierenden
Schaltzustände
EIN bzw. AUS sind darüber gezeigt,
wobei besonders auffällt,
daß die
EIN- und AUS-Schaltpunkte E und A gegenüber dem Nulldurchgang an den
Polübergängen 2 zwischen
den verschieden breiten Schaltbereichen 1a, 1b mit
entgegengerichteter Polarität 4 mit
einem Betrag XA bzw. XE vergleichsweise
stark verschoben sind.
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Die
Größe der Verschiebung
XA bzw. XE hängt dabei
unter anderem auch vom Meßabstand ab,
so daß auch
bei exakter Magnetisierung die Schaltpunkte E und A zwischen den
Polen 3 gegenüber
ihrer idealen Lage verschoben sind. Die gleiche Problematik tritt
bei mehrspurigen Magnetisierungen auf, bei denen die Pole der Nachbarspuren
den Nulldurchgang über
einer Spur verschieben.
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Um
die Verschiebung an den Polübergängen 2 möglichst
gering zu halten, weist daher bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung
gemäß 2 bis 4 jeder
Schaltbereich 1a, 1b des Sensormagneten 1 in
der Mitte zwischen den Polübergängen 2 eine
stark reduzierte Magnetisierung auf, so daß die Magnetisierung im Bereich
der Polübergänge 2 am höchsten ist
und dort möglichst
schnell in der Richtung umkehrt.
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Als
besonders vorteilhaft für
eine möglichst hohe
Schaltgenauigkeit hat es sich hierbei erwiesen, wenn die Magnetisierung
des Sensormagneten 1 innerhalb der breiteren Schaltbereiche 1b zwischen den
Polübergängen 2 auf
weniger als 60 der absoluten Magnetisierung in der Nähe der Polübergänge zurückgeht.
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Die
Magnetisierung kann dabei auch im Bereich der Mitte der breiteren
Schaltbereiche 1b nahezu verschwinden und unter 10 % der
Sättigungsmagnetisierung
zurückgehen.
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Solche
Voraussetzungen sind bei den erfindungsgemäß magnetisierten Sensormagneten
von 2 bis 4 gegeben.
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Bei
dem Sensormagneten 1 von 2 wurden
die Polübergänge 2 mit
den dort gezeigten Magnetisierungsrichtungen 4a durch drei
Einzelleiter erzeugt. Die magnetische Flußdichte "B" liegt
im mittleren Teil zwischen den Polübergängen 2 dicht oberhalb
des Nulldurchganges zwischen den beiden Pegeln "a" und "b" für
das EIN- und das AUS-Schalten eines bipolaren Schalters und steigt
erst in unmittelbarer Nähe
der Polübergänge 2 über die
betreffenden Pegel an, so daß die
EIN- und AUS-Schaltpunkte E und A des bipolaren Schalters stets
in einem gleichbleibend geringen Abstand Xa,
Xe, gegenüber den Polübergängen 2 verschoben
sind.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
von 3 liegen praktisch die gleichen Voraussetzungen
wie bei dem Sensormagneten 1 von 2 vor, nur
daß bei diesem
zweiten Sensormagneten 1 die magnetische Vorzugsrichtung
des Magnetmaterials in Bewegungsrichtung liegt und in Verschiebungsrichtung eine
anisotrope Ausrichtung besitzt. Die Empfindlichkeit des abgetasteten
Signals gegenüber
Störfeldern wird
hierdurch verkleinert.
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Auch
bei dieser Magnetisierungsart bewegt sich die magnetische Flußdichte "B" im mittleren Teil der verschieden breiten
Schaltbereiche 1a, 1b in unmittelbarer Nähe des Nulldurchganges
zwischen den Pegeln "a" und "b" für
das EIN- und das AUS-Schalten eines bipolaren Schalters, um an den
stark magnetisierten Polübergängen 2 plötzlich anzusteigen und
dort möglichst
schnell in der Richtung umzukehren, was eine nur sehr geringe Verschiebung
der Schaltpunkte E und A des bipolaren Schalters gegenüber den
Polübergängen 2 zur
Folge hat.
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Dies
gilt entsprechend auch für
die in 4 gezeigte dritte Magnetisierungsart eines solchen Sensormagneten 1 mit
unterschiedlich breiten Schaltbereichen 1a, 1b und
einer nur sehr geringen Magnetisierung im mittleren Teil zwischen
den Polübergängen 2.
Dieser Sensormagnet 1 hat eine Magnetisierung des Magnetmaterials
mit Vorzugsrichtung 4c senkrecht zur Bewegungsrichtung
in unmittelbarer Nähe
der Polübergänge 2.
Hierdurch wird die Schaltschärfe
und -genauigkeit eines bipolar schaltenden Sensors, wie z.B. eines
Hallsensors, einer Feldplatte, eines GMR-Sensors oder dergleichen, ebenfalls
positiv beeinflußt,
wie der Verlauf der magnetischen Flußdichte "B" in 4 und
die darüber gezeigte
Kurve für
die Schaltpunkte EIN und AUS bzw. E und A eines derartigen Schalters
oder Sensors erkennen lassen. Solche Sensormagnete können mehrspurig
ausgebildet sein.
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In 5 ist
der Stromweg 5 zwischen Stromeingang 5a und Stromausgang 5b einer
Spule 6 zur siebenspurigen Aufzeichnung eines Digitalmusters
zur Drehpositionserfassung einer Scheibe bei stirnseitiger Abtastung
gezeigt. Die Wicklung der Spule 6 ist dabei so angeordnet,
daß sich
bei der stirnseitigen Magnetisierung eines Rotormagneten 10,
wie in 6 gezeigt, eine abwechselnde Aufeinanderfolge
von NORD- und SÜD-Polen
N und S ergibt, die im äußeren Teil
dicht gedrängt
unmittelbar nebeneinander aufeinanderfolgen und zur Mitte hin in
der Größe zu- und
in der Anzahl entsprechend abnehmen, so daß schließlich im Mittelteil nur noch
jeweils zwei NORD- und zwei SÜD-Pole
N und S einander diametral und jeweils um 180° gegeneinander versetzt gegenüberliegen,
wobei an allen NORD- und
SÜD-Polen
unterschiedlicher Breite jeweils der mittlere Teil zwischen den
Polübergängen sehr
gering magnetisiert und die Magnetisierung im Bereich der Polübergänge am höchsten ist
und dort, wie bei den Ausführungsbeispielen
von 2 bis 4 gezeigt, möglichst schnell in der Richtung
umkehrt. Zur besseren Übersichtlichkeit
sind bei dem Rotormagneten 10 von 6 die NORD-
und SÜD-Pole
N und S nur im rechten oberen Quadranten vollständig und in den restlichen
Quadranten nur teilweise eingetragen.
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Diese
Magnetisierungsart an einem derartigen Rotormagneten mit stirnseitiger
Magnetisierung ist in 7 in einer gegenüber 6 vergrößerten Darstellung
gezeigt. Dabei kennzeichnet die strichpunktierte Linie 7a jeweils
den randseitigen Bereich der maximalen Flußdichte an den NORD-Polen und die
gestrichelte Linie 7b den Bereich der maximalen Flußdichte
an den SÜD-Polen.
Die Stromleiter der Magnetisierspule von 5 sind für diese
Magnetisierungsart so angeordnet, daß sie die Polbereiche N und
S an dem zu magnetisierenden scheibenförmigen oder zylindrischen Sensormagneten
nicht vollständig
und eng umschließen.
Dies kann leicht festgestellt werden, indem die Darstellung der
Magnetisierspule 6 von 5 mit dem
Rotormagneten 10 von 6 zur Deckung
gebracht wird.
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Bei
dem weiteren Ausführungsbeispiel
von 8 handelt es sich um einen am Außenumfang magnetisierten
Rotormagneten 11 mit mit einer Vielzahl von Schaltbereichen
unterschiedlicher Breite und diesen zugeordneten bipolar schaltenden
Sensoren 12, die entweder als Hallsensor, Feldplatte, GMR-Sensor
oder ähnlich
ausgebildet sein können.
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Auch
hierbei haben die NORD- und die SÜD-Pole eine ähnliche
Abfolge und unterschiedlicher Breiten wie bei der stirnseitigen
Magnetisierungsart des Rotormagneten 10 von 7.
Die strichpunktierten Linien 7a zeigen die Bereiche der maximalen
magnetischen Flußdichte
der NORD-Pole an den Polübergängen und
die gestrichelten Linien 7b den Bereich der maximalen Flußdichte
der Südpole
jeweils in unmittelbarer Nähe
der Polübergänge.
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Neben
dem am Außenumfang
mangetisierten Sensormagneten 1 befinden sich mehrere bipolar schaltende
Magnetfeld-Sensoren 12 zur Abtastung der unterschiedlich
breiten Schaltbereiche des Sensormagneten mit der stark reduzierten
Magnetisierung in der Mitte jedes Schaltbereiches zwischen den randseitigen
Magnetisierungen 7a, 7b, die im Bereich der Polübergänge und
damit nur in sehr engen, schmalen Bereichen am höchsten ist und dort möglichst
schnell in der Richtung umkehrt. Die Magnetfeld-Sensoren 12 können, wie
schon oben erwähnt, jeweils
wahlweise Hallsensoren, Feldplatten, GMR-Sensoren oder ähnliche
Bauelemente sein.
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- 1
- Sensormagnet
- 1a
- Schaltbereich
- 1b
- Schaltbereich
- 2
- Polübergänge
- 3
- Pole
- 4
- Polarität
- 4a
- Magnetisierungsrichtung
- 4b
- magnetische
Vorzugsrichtung
- 4c
- magnetische
Vorzugsrichtung
- 5
- Stromweg
- 5a
- Stromeingang
- 5b
- Stromausgang
- 6
- Magnetisierspule
- 7a
- strichpunktierte
Linie =
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- Bereich
der maximalen Flußdichte
an den NORD-Polen
- 7b
- gestrichelte
Linie =
-
- Bereich
der maximalen Flußdichte
an den SÜD-Polen
- 10
- Rotormagnet
- 11
- Rotormagnet
- 12
- bipolare
Magnetfeld-Sensoren
- B
- magnetische
Flußdichte
- "a"
- Pegel
für das
EIN-Schalten eines bipolaren Schalters
- "b"
- Pegel
für das
AUS-Schalten eines bipolaren Scahlters
- E
- EIN-Schaltpunkt
- A
- AUS-Schaltpunkt
- XA
- Betrag
einer Verschiebung des AUS-Schaltpunktes
- XE
- Betrag
einer Verschiebung des EIN-Schaltpunktes
- N
- Nordpol
- S
- Südpol