DE3933627A1 - Sensor mit einem beweglichen permanentmagnetsystem zur bestimmung einer bewegungsabhaengigen groesse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor mit einem beweglichen Permanentmagnetsystem zur Bestimmung einer bewegungsabhängigen Größe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist bereits ein gattungsgemäßer Sensor bekannt (DE 27 09 156 A1), wonach ein federnd gelagerter Perma­ nentmagnet bei seiner durch eine Beschleunigung bedingten Auslenkung ein elektrisches Signal in einem Halbleiter­ element beeinflußt.

Bei dem bekannten Sensor ergeben sich Nachteile dahin gehend, daß das Ausgangssignal des Halbleiterelementes durch eine nur schwache Konzentration des magnetischen Flusses ungenau ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor mit einem beweglichen Permanentmagnetsystem zur Bestimmung einer bewegungsabhängigen Größe so auszubilden, daß sich für den Sensor ein kleines Gewicht und eine geringe Baugröße bei einer guten Empfindlichkeit des Sensors ergibt.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Sensor mit einem beweglichen Permanentmagnetsystem zur Bestimmung einer bewegungsabhängigen Größe erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen kennzeichnen.

Vorteile der Erfindung gegenüber dem bekannten Stand der Technik bestehen darin, daß sich ein breites Einsatzgebiet für den erfindungsgemäßen Sensor ergibt wegen der geringen Baugröße und des geringen Gewichtes des Sensors.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensor wird eine Konzentration des magnetischen Flusses durch die Spule erreicht, indem zwischen zwei Permanentmagnetringe eine weichmagnetische Zwischenringscheibe eingebracht wird, die aus einem amorphen, feinkristallinem oder kristallinem Metall bestehen kann. Die weichmagnetische Zwischenringscheibe kann dabei auch aus mehreren Metallfolienscheiben beste­ hen. Die Permanentmagnetringe sind axial polarisiert. Bei der Anordnung in dem erfindungsgemäßen Sensor stehen sich gleichnamige Pole der Permanentmagnetringe gegenüber. Wird dieses bewegliche Permanentmagnetsystem in einer Spule bewegt, bewirkt die deutliche Änderung des magnetischen Flusses ein deutliches Spannungssignal. In besonders vorteilhafter Weise ist die Spule dabei von einem dünnwandigen Ring aus einem weichmagnetischen Metall umgeben. Dieses weichmagnetische Metall kann dabei eine amorphe, feinkristalline oder kristalline Struktur auf­ weisen. Dadurch wird eine besonders gute Konzentration des magnetischen Flusses erreicht, wobei das magnetische Feld aufgrund der Führung durch den dünnwandigen Ring eine geringe Streuung aufweist. Dabei kann dieser dünnwandige Ring so verlängert werden, daß die magnetischen Feldlinien direkt auf den anderen Pol des Magneten zu geführt werden. Die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Sensors kann außerdem erhöht werden, indem an das bewegliche Perma­ nentmagnetsystem bestehend aus den beiden Permanentma­ gnetringen und der weichmagnetischen Zwischenringscheibe weitere weichmagnetische Zwischenringscheiben und weitere Permanentmagnetringe angebracht werden. Entsprechend muß dann die Anzahl der Spulen in der Spulenanordnung anstei­ gen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausbildung eines erfindungsgemäßen Sensors als Beschleunigungssensor,

Fig. 2 eine Ausbildung eines erfindungsgemäßen Sensors als Schwingungssensor und

Fig. 3 eine Ausbildung eines erfindungsgemäßen Sensors als Drucksensor.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, werden zwei axial polarisierte Permanentmagnetringe 1.1 und 1.2 so angeordnet, daß sich gleichnamige Pole gegenüber stehen. Die Permanentmagnet­ ringe 1.1 und 1.2 weisen dabei eine hohe Remanenz und einen kleinen magnetischen Temperaturkoeffizienten auf. Entsprechend der Darstellung nach Fig. 1 sind diese Permanentmagnetringe 1.1 und 1.2 durch eine weichmagne­ tische Zwischenringscheibe 1.3 voneinander getrennt. Diese weichmagnetische Zwischenringscheibe weist eine hohe magnetische Permeabilität, einen großen elektrischen Widerstand und eine sehr geringe Magnetostriktion auf. Dieses bewegliche Permanentmagnetsystem 1.4 befindet sich im Inneren einer Spulenanordnung 1.11, die aus einer Spu­ le 1.5 besteht. Durch den Aufbau des beweglichen Perma­ nentmagnetsystems 1.4 ergibt sich entsprechend der Dar­ stellung der Fig. 1 eine hohe Konzentration des magne­ tischen Flusses. An der Außenmantelfläche der Spule 1.5 befindet sich ein dünnwandiger Ring 1.6 aus einem weich­ magnetischen Metall, der die Richtung des magnetischen Flusses entsprechend der Darstellung der Fig. 1 bewirkt.

Die wesentlichen Eigenschaften des weichmagnetischen Metalls des dünnwandigen Ringes 1.6 an der Außenmantel­ fläche sind dabei die hohe Permeabilität, die geringe Magnetostriktion und der große spezifische elektrische Widerstand. Das weichmagnetische Metall kann dabei eine amorphe, feinkristalline oder kristelline Struktur auf­ weisen. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform entsprechend der Darstellung der Fig. 1 wird an den dünnwandigen Ring 1.6 eine Verlängerung 1.13, 1.14 ange­ bracht, so daß die magnetischen Flußlinien direkt auf die jeweiligen Südpole der Permanentmagnetringe 1.1 und 1.2 zugeführt werden. Das bewegliche Permanentmagnetsystem wird über eine nichtmagnetische Rohrniete 1.7 mit einer nichtmagnetischen, hochelastischen, temperaturstabilen Membran 1.8 verbunden und im Gehäuse 1.9, 1.10 aus einer nichtmagnetischen Leichtmetallegierung mit kleinem Tempe­ raturkoeffizienten aufgehängt. Das Gehäuseunterteil 1.9 ist mit dem zu messenden Sensierungsobjekt verbunden. Gleichzeitig ist das bewegliche Permanentmagnetsystem 1.4 mittels einer Federanordnung 1.12 an dem Gehäuseunter­ teil 1.9 angebracht. Eine Beschleunigung führt zu einer relativen Änderung der Lage des beweglichen Permanentma­ gnetsystems 1.4 bezogen auf die Spulenanordnung 1.11. Die Geschwindigkeit, mit der sich das bewegliche Permanentma­ gnetsystem 1.4 relativ zu der Spulenanordnung 1.11 bewegt, ist der zeitlichen Änderung der Beschleunigung des Sensierungsobjektes proportional. Die in der Spule 1.5 der Spulenanordnung 1.11 induzierte Spannung ist der Ge­ schwindigkeit des beweglichen Permanentmagnetsystems 1.4 relativ zu der Spule 1.5 der Spulenanordnung 1.11 propor­ tional, so daß eine Integration der an der Spule 1.5 gemessenen Spannung einen Wert proportional der Beschleu­ nigung des Sensierungsobjektes ergibt. Das bewegliche Permanentmagnetsystem 1.4 kann auch aus mehreren Perma­ nentmagnetringen bestehen, wie dies beispielsweise in Fig. 2 ausgeführt ist. Entsprechend müssen dann mehrere Spulen in der Spulenanordnung 1.11 vorhanden sein.

In Fig. 2 ist ein Schwingungssensor dargestellt, dessen bewegliches Permanentmagnetsystem 2.1 aus drei axial polarisierten Permanentmagnetringen 1.1, 1.2 und 2.4 besteht, wobei die Permanentmagnetringe 1.1, 1.2 und 2.4 so angeordnet sind, daß sich gleichnamige Pole gegenüber­ stehen. Die Permanentmagnetringe 1.1, 1.2 und 2.4 weisen dabei eine hohe Remanenz und einen kleinen magnetischen Temperaturkoeffizienten auf. Entsprechend der Darstellung nach Fig. 2 sind diese Permanentmagnetringe 1.1, 1.2 und 2.4 durch weichmagnetische Zwischenringscheiben 1.3 und 2.6 voneinander getrennt. Diese weichmagnetischen Zwischenringscheiben 1.3 und 2.6 weisen eine hohe magne­ tische Permeabilität, einen großen elektrischen Widerstand und eine sehr geringe Magnetostriktion auf. Dieses beweg­ liche Permanentmagnetsystem 2.1 befindet sich im Inneren einer Spulenanordnung 2.7, die aus zwei Spulen 1.5 und 2.9 besteht. Durch den Aufbau des beweglichen Permanentma­ gnetsystems 2.1 ergibt sich entsprechend der Darstellung der Fig. 2 eine hohe Konzentration des magnetischen Flusses. An den Außenmantelflächen der Spulen 1.5 und 2.9 ist ein dünnwandiger Ring 1.6 und 2.11 aus einem weichma­ gnetischen Metall angebracht, der die Richtung des magne­ tischen Flusses entsprechend der Darstellung der Fig. 2 bewirkt. Die wesentlichen Eigenschaften des amorphen Metalls des dünnwandigen Ringes 1.6 und 2.11 an den Außenmantelflächen sind dabei die hohe Permeabilität, die geringe Magnetostriktion und der große spezifische elek­ trische Widerstand. Das weichmagnetische Metall kann dabei eine amorphe, feinkristalline oder kristelline Struktur aufweisen. Auch bei der in Fig. 2 dargestellten Ausfüh­ rungsform können an den dünnwandigen Ring 1.6 und 2.11 Verlängerungen entsprechend der Darstellung der Fig. 1 angebracht werden. Dabei zeigen diese Verlängerungen dann auf die Südpole der beiden Permanentmagnetringe 1.1 und 2.4. Gemäß Fig. 2 ist dabei das Gehäuse 2.12 in einer ortsfesten Lage angebracht, wobei die Spulen 1.5 und 2.9 an diesem Gehäuse 2.12 fest angebracht sind. In das Gehäuse ist noch eine Schicht 2.10 zur Abschirmung äußerer elektromagnetischer Felder eingebracht, so daß auch durch diese Maßnahme die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Sensors nochmals erhöht wird. Diese Schicht 2.10 kann entsprechend auch bei den Gehäusen der erfindungsgemäßen Sensoren entsprechend den Darstellungen der Fig. 1 und 3 eingebracht werden. Das bewegliche Permanentmagnetsy­ stem 2.1 ist mit einer Stange 2.13 mit dem schwingenden Sensierungsobjekt verbunden. Somit wird in den Spulen 1.5 und 2.9 eine Spannung induziert, die der Geschwindigkeit des Körpers proportional ist. Durch eine Differentiation dieser Spannung läßt sich somit unmittelbar die Beschleunigung ermitteln, sowie durch eine Integration dieser Spannung unmittelbar die Auslenkung des Körpers während der Schwingung erhalten werden kann. In den Schwingungssensor nach Fig. 2 kann auch ein bewegliches Permanentmagnetsystem entsprechend dem beweglichen Perma­ nentmagnetsystem 1.4 eingesetzt werden. In diesem Fall wird auch nur eine der Spulen 1.5 und 2.9 verwendet. Ebenso ist es auch möglich, das bewegliche Permanentma­ gnetsystem 2.1 so zu verändern, daß weitere Permanentma­ gnetringe und weitere weichmagnetische Zwischenringe angebracht werden. Entsprechend muß dann auch die Zahl der Spulen in der Spulenanordnung ansteigen.

In Fig. 3 wird ein bewegliches Permanentmagnetsystem 1.4 an einer Seite 3.2 des Gehäuses eines Drucksensors ange­ bracht. Dieses Permanentmagnetsystem kann dabei auch einen Aufbau entsprechend dem Permanentmagnetsystem 2.1 haben. Die Seite 3.2 des Gehäuses des Drucksensors weist dabei eine Öffnung 3.3 auf, so daß bei Anbringen der Seite 3.2 des Gehäuses des Drucksensors an die Oberfläche des Volumens, in dem der Druck zu bestimmen ist, ein Druck­ ausgleich zu dem Volumen 3.5 stattfindet. Dabei wirkt der zu messende Druck auf die Membran 1.8, die über die Rohrniete 1.7 mit dem Permanentmagnetsystem 1.4 in Verbin­ dung ist. Dabei muß die Membran 1.8 eine solche Elastizi­ tät aufweisen, daß die schwingende Masse der Membran 1.8 und der Permanentmagnetanordnung 1.4 den zu messenden Druckschwankungen zeitlich folgen kann. Die Spulenanord­ nung 1.11 ist fest an einer Seite 3.4 des Gehäuses des Drucksensors angebracht und kann in ihrem Aufbau auch der Spulenanordnung 2.7 entsprechen. Dieses Gehäuse ist dabei ortsfest angebracht, so daß die Spulenanordnung 1.11 keine Schwankungen des Ortes aufgrund von Änderungen des zu messenden Druckes erfährt. Die in der Spule induzierte Spannung ist somit der zeitlichen Änderung des zu messen­ den Druckes proportional. Durch Integration kann hieraus unmittelbar der Druck erhalten werden.

Claims (11)

1. Sensor mit einem beweglichen Permanentmagnetsystem zur Bestimmung einer bewegungsabhängigen Größe, wobei eine Bewegung des Permanentmagnetsystems eine elektrische Größe in einem Element beeinflußt, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine Bewegung des Permanentmagnetsystems (1.4, 2.1) eine Spannung in einer Spulenanordnung (1.11, 2.7) induziert,
• - daß die Spulenanordnung (1.11, 2.7) aus mindestens einer Spule (1.5) besteht,
• - daß das Permanentmagnetsystem (1.4, 2.1) aus mindestens zwei, durch mindestens eine weichmagnetische Zwischen­ ringscheibe (1.3) distanzierten Permanentmagnet­ ringen (1.1, 1.2) besteht, deren gleichnamige Pole einander zugewandt sind, wobei sich die Permanentma­ gnetringe (1.1, 1.2) konzentrisch innerhalb der Spulenanordnung (1.11, 2.7) befinden und wobei sich in der Ruhestellung des Sensors die weichmagnetische Zwi­ schenringscheibe (1.3) in der Mitte der Spule (1.5) befindet.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das bewegliche Permanentmagnetsystem (1.4) eine Fortsetzung erfährt,
• - indem an einen der beiden Permanentmagnet­ ringe (1.1, 1.2) eine weitere weichmagnetische Zwi­ schenringscheibe (2.6) angebracht wird,
• - indem sich an diese weichmagnetische Zwischenring­ scheibe (2.6) wiederum ein Permanentmagnetring (2.4) so anschließt, daß dem Pol des Permanentmagnet­ ringes (1.2), an den sich die weichmagnetische Zwi­ schenringscheibe (2.6) anschließt, ein gleichnamiger Pol des weiteren Permanentmagnetringes (2.4) gegenüber­ liegt,
• - daß die Spulenanordnung (2.7) aus der Spule (1.5) und einer weiteren Spule (2.9) besteht und
• - daß sich die weichmagnetische Zwischenringscheibe (2.6) in der Ruhestellung des Sensors in der Mitte der Spu­ le (2.9) befindet.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1.5, 2.9) an ihrer Außenmantelfläche einen dünnwandigen Ring (1.6, 2.11) aus einem weichmagnetischen Metall trägt, wobei das Metall eine amorphe, feinkristal­ line oder kristalline Struktur aufweisen kann.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dünnwandige Ring (1.6, 2.11) eine solche Verlän­ gerung (1.13, 1.14) erfährt, daß die Verlängerung (1.13, 1.14) an den Enden der Spule (1.5, 2.9) so auf den Pol des entsprechenden Permanentmagnet­ ringes (1.1, 1.2, 2.4) zeigt, daß sich eine geschlossene Führung für die magnetischen Flußlinien ergibt.

5. Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dünnwandige Ring (1.6, 2.11) sowie die Verlänge­ rung (1.13, 1.14) aus einer hochpermeablen, einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand und eine sehr geringe Magnetostriktion aufweisenden amorphen, feinkristallinen oder kristallinen Metallfolie besteht.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmagnetische Zwischenringscheibe (1.3, 2.6) des Permanentmagnetsystems (1.4, 2.1) aus amorphem, feinkristallinem oder kristallinem Metall besteht.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmagnetische Zwischenringscheibe (1.3, 2.6) des Permanentmagnetsystems (1.4, 2.1) aus geschichteten amorphen, feinkristallinen oder kristallinen Metallfo­ lienscheiben oder einer kristallinen oder feinkristallinen Scheibe besteht.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Permanentmagnetringe (1.1, 1.2, 2.4) des Permanentmagnetsystems (1.4, 2.1) aus einer Kobalt-Samarium-Legierung, NdFe-B-Legierung oder ver­ gleichbaren Legierungen besteht.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Permanentmagnetsystem (1.4, 2.1) fest verbindbar ist mit einem eine Schwingung ausübenden Körper (über 2.13), wobei die Spulenanordnung (1.11, 2.7) in einer ortsfesten Position angeordnet ist.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Spulenanordnung (1.11, 2.7) mit einem eine Bewegung ausführenden Sensierungsobjekt durch das Gehäuseunterteil (1.9) fest verbindbar ist und
• - daß das Permanentmagnetsystem (1.4, 2.1) durch eine Federanordnung (1.12) an dem Gehäuseunterteil (1.9) abgestützt ist derart, daß sich bei einer Auslenkung des Permanentmagnetsystems (1.4, 2.1) aus seiner Ruhelage eine dieser Auslenkung proportionale Rückstellkraft ergibt.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Permanentmagnetsystem (1.4, 2.1) unmittelbar einem Druck ausgesetzt ist, der zu einer dem Druck proportio­ nalen Auslenkung des Permanentmagnetsystems (1.4, 2.1) relativ zu der Spulenanordnung (1.11, 2.7) führt, wobei die Spulenanordnung (1.11, 2.7) in einer ortsfesten Position angeordnet ist.