DE69306085T2

DE69306085T2 - Lagesensor mit dauermagnet und magnetfeldmessung

Info

Publication number: DE69306085T2
Application number: DE69306085T
Authority: DE
Inventors: Claude Oudet; Daniel Prudham
Original assignee: Moving Magnet Technologie SA
Current assignee: MMT SA
Priority date: 1992-05-19
Filing date: 1993-05-19
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2013-05-20
Also published as: DE69306085D1; ES2097507T3; FR2691534B1; EP0596068A1; EP0596068B1; US5532585A; WO1993023720A1; JP3264929B2; JPH07500421A; FR2691534A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lagesensor mit magnetisch beeinflußbarer Sonde, der dazu bestimmt ist, die Positionen auf einem geradlinigen Weg zu messen. Das deutsche Patent H923644 beschreibt eine Sonde, die aus einem ferromagnetischen Stator besteht, der aus zwei magnetisch isolierten Teilen gebildet ist. Der Stator umfaßt eine Längsöffnung, die den Luftspalt bildet, in dessen Innerem sich ein doppelpoliger Dauermagnet verschieben kann. Der Sensor des bekannten Stands der Technik umfaßt des weiteren zwei magnetisch beeinflußbare Sonden, deren Signal an einen Differentialverstärker übertragen wird. DE-A-2 532 981 beschreibt auch solche Sonden.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Sensor mit vereinfachter Herstellung und vereinfachtem Zusammenbau zu schaffen, der eine große Zuverlässigkeit aufweist und ein quasi-lineares Signal liefert.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung insbesondere einen Lagesensor mit einem doppelpoligen Dauermagneten, der im Inneren eines dünnen Hauptpolluftspaltes beweglich ist, begrenzt durch die zwei ferromagnetischen Teile. Solche Sonden werden in den nachstehenden Ansprüchen definiert.
Die Dicke des Dauermagneten ist im Vergleich zur Breite der Pole, die in der Richtung der Verschiebung gemessen werden, gering, so daß die Induktion für eine bestimmte Position entlang der einzelnen Pole des Stators, getrennt durch den Spalt, in dem die magnetisch beeinflußbare Sonde angeordnet ist, merklich konstant ist. Normalerweise ist die Breite der Pole des Magneten mindestens sechs Mal größer als die Dicke L des Magneten, die in der Richtung ihrer Magnetisierung gemessen wird.
Die reversible Durchlässigkeit des Magneten liegt nahe bei 1 und ist vorzugsweise geringer als 1,2, damit eine gute Linearität der Antwort erreicht wird.
Die zwei ferromagnetischen Teile sind durch nichtmagnetische Verbindungsteile verbunden. Die Länge des Luftspaltes, die entlang der Richtung der Verschiebung des beweglichen Magneten gemessen wird, ist mindestens gleich 2 (C + E), wobei C den Lauf des Magneten und E die Breite des Luftspaltes bezeichnet. Die Länge des Magneten ist mindestens gleich (C + E). Der Lauf des beweglichen Magneten, der entlang der Breite des Luftspaltes magnetisiert wird, ist gleich ± C/2 im Vergleich zu einem sekundären Luftspalt, senkrecht zum Hauptpolluftspalt und die magnetisch beeinflußbare Sonde enthaltend.
Die Verwirklichung einer solchen Sonde ist einfach und wirtschaftlich und ermöglicht eine verstärkte Miniaturisierung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die zwei ferromagnetischen Teile durch nicht-magnetische Seitenteile verbunden, die zum Beispiel aus Messing sind. Die ferromagnetischen Teile werden vorteilhafterweise in Eisen-Nickel 50/50 ausgeführt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform verschiebt sich der bewegliche Magnet im Inneren eines dichten röhrenförmigen Teils, angeordnet zwischen den ferromagnetischen Teilen. Die Sonde gemäß dieser Ausführungsform ermöglicht die Realisierung einer dichten Sonde für Anwendungen wie beispielsweise Sonden für Zylindersteuerventile.
Vorteilhafterweise ist der Magnet in eine Hülle aus einem Material mit geringem Reibungskoeffizienten gehüllt, wie beispielsweise Teflon.
Vorzugsweise ist bei einer Ausführungsform, die flache Magnete umfaßt, die Breite Z dieser Magnete, die entlang der Achse senkrecht zur Richtung der Verschiebung und zur Richtung der Magnetisierung gemessen wird, größer als oder gleich 3L, wobei L die Länge des Magneten bezeichnet, die in der Richtung seiner Magnetisierung gemessen wird.
Gemäß einer Ausführungsform eines dichten linearen Sensors umfaßt die Vorrichtung gemäß der Erfindung ein bewegliches Organ, das aus einem Lager besteht, welches an seinem oberen Teil einen Bügel für die Verbindung eines Verbindungsstiftes aufweist, wobei das Lager einen Hohlraum aufweist, in dem ein erster ferromagnetischer Teil und ein dünner Magnet angeordnet sind, wobei der zweite ferromagnetische Teil an die äußere Oberfläche des Bodens eines Gehäuses angebracht wird, das aus einem nicht-magnetischen Material besteht, wobei die magnetisch beeinflußbare Sonde in einem sekundären Luftspalt senkrecht zur Richtung der Verschiebung des beweglichen Organs angeordnet ist.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform, die einen Grad an Drehfreiheit des Verbindungsstiftes ermöglicht, umfaßt diese zwei Anschläge sowie zwei Federn, die zwischen dem hinteren Anschlag und der hinteren Oberfläche des Bügels beziehungsweise dem vorderen Anschlag und der Oberfläche vor dem Bügel angeordnet sind.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung, bei der auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, besser verstanden werden, wobei:
- Figur 1 eine Längsschnittansicht einer Sonde gemäß der Erfindung darstellt,
Figur 2 eine Ansicht der Sonde gemäß eines Querschnitts darstellt,
- Figur 3 eine Axialschnittansicht einer zylinderförmigen Sonde darstellt,
- Figur 4 eine Schnittansicht einer dichten Sonde gemäß der Erfindung darstellt;
- Figur 5 eine Ansicht der dichten Sonde gemäß der Schnittebene BB darstellt.
Die Sonde gemäß der Erfindung, die in Figur 1 und 2 entlang einer Skala 5 dargestellt ist, weist einen Lauf von ungefähr 8 Millimetern auf.
Sie besteht aus einem Stator (1), der einen Luftspalt (2) aufweist, in dessen Innerem ein dünner Magnet (3) angeordnet ist.
Der Stator besteht aus einem oberen ferromagnetischen Teil (4) und einem unteren und äußeren ferromagnetischen Teil (5), die aus Eisen-Nickel 50/50 hergestellt sind. Die zwei ferromagnetischen Teile (4, 5) bestimmen unter sich einen Hauptpolluftspalt (2), mit einer Breite von 3 Millimetern. Unter "Breite" wird das Maß verstanden, das entlang der Richtung der Magnetisierung des Magneten, senkrecht zur Hauptoberfläche des Magneten, gemessen wird.
Die zwei ferromagnetischen Teile (4, 5) werden durch zwei Seitenflansche (10, 11) aus Messing miteinander verbunden.
Einer der ferromagnetischen Teile, in dem Beispiel der obere ferromagnetische Teil (4), weist einen sekundären Luftspalt (6) senkrecht zum Hauptpolluftspalt (2) auf.
Eine magnetisch beeinflußbare Sonde (7) ist in diesem sekundären Luftspalt (6) angeordnet, zum Beispiel eine magnetisch beeinflußbare Sonde, die von dem Unternehmen SIEMENS unter der Bezeichnung KSY14 verkauft wird. Sie ist auf einer gedruckten Schaltung (8) befestigt, welche die elektrischen Verbindungen mit den Bestandteilen des Verstärkungs- und Ausgangsstromkreises sicherstellt.
Der Magnet (3) wird in dem Beispiel als vom Typ Samarium Kobalt Sm1Co5 beschrieben. Er weist einen Nordpol auf, der zum oberen ferromagnetischen Teil (4) hin ausgerichtet ist, und einen Südpol, der zum ferromagnetischen Teil (5) ausgerichtet ist. Er ist mit einem Verbindungsorgan (12) einstückig, welches die Verbindung mit dem Stück sicherstellt, von dem man die Position wissen möchte. Der Magnet weist in dem beschriebenen Beispiel eine Dicke von 1 Millimeter und eine Länge von 11 Millimetern auf.
Um die Dichtheit zwischen dem Stück, von dem man die Position messen möchte, und der Sonde sicherzustellen, wird eine dichte Röhre (13), geschlossen am Ende (14), das dem Verbindungsorgan (12) gegenüberliegt, im Luftspalt angeordnet. Die Eigenschaften dieser Röhre (13) sind so bestimmt, daß es ihr möglich ist, dem Druck der Hydraulikflüssigkeit in dem beschriebenen Fall zu widerstehen, entsprechend der Messung der Position eines Zylinders mit Ventilsteuerung.
Diese dichte Röhre (13) grenzt ein Innenvolumen ab, in dem sich der Magnet (3) verschiebt.
Figur 3 stellt eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Sonde mit Axialgeometrie, in Zylinderform, dar.
Die Sonde gemäß dieser Ausführungsform umfaßt ein Gehäuse (20), steif und dicht, in Zylinderform, das an seinem unteren Teil einen Achsendurchgang (21) aufweist. Sie ist aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt, das im Bedarfsfall einem Druck von 350 bar standhält, für eine Anwendung der Messung der Position für Elektroventile. Die Seite, die dem Achsendurchgang (21) gegenüberliegt, ist durch einen Deckel (22) verschlossen. O-Ring-Dichtungen (23, 23', 23") gewährleisten die Dichtheit der Sonde.
Der Stator besteht aus einem inneren ferromagnetischen Teil (24) in Zylinderform und einem äußeren ferromagnetischen Teil (25) in Ringform, beide aus Eisen-Nickel 50/50 hergestellt.
Die zwei ferromagnetischen Teile (24, 25) bestimmen unter sich einen ringförmigen Hauptpolluftspalt mit einer Breite in der Größenordnung von 1 bis 3 mm. Unter "Breite" versteht man das Maß, das entlang der Richtung der Magnetisierung des Magneten gemessen wird, also radial in der Ausführungsform.
Der äußere ferromagnetische Teil (25) ist einstückig mit dem Gehäuse (20).
Der innere ferromagnetische Teil besteht aus zwei Zylinderteilen (27, 28) aus Eisen-Nickel 50/50, koaxial und übereinander angeordnet, getrennt durch einen nichtmagnetischen Ring (29). Eine O-Ring-Dichtung (23") gewährleistet die Dichtheit. Die zwei zylinderförmigen Teile (27, 28) bestimmen unter sich einen sekundären Luftspalt (30), bei dem die von der Dicke des Ringes (29) definierte Höhe ausreichend ist, um eine magnetisch beeinflußbare Sonde (31) aufzunehmen, die in diesem Luftspalt angeordnet ist, also ungefähr 0,8 bis 1 mm. Die elektrischen Drähte (32) der magnetisch beeinflußbaren Sonde (31) stehen aus der Sonde durch eine Öffnung (33) heraus, die zum Inneren des Gehäuses (20) dicht ist.
Der dünne Dauermagnet (35) ist von radialer Magnetisierung, zum Beispiel ein Magnet, wie er von dem Unternehmen SEIKO unter der Bezeichnung "Samlet 9R" verkauft wird. Die Länge des Magneten (35) ist vorzugsweise höchstens gleich dem Radius.
Der Dauermagnet kann auch aus einer Verbindung von Magneten in Dachziegelform bestehen, zum Beispiel aus drei Magneten in Dachziegelform von 120º.
Der Magnet (35) ist mit einer Stütze aus einem nichtmagnetischen Material (36) in Zylinderform einstückig, einstückig mit einer Verbindungsachse (37) den Boden des Gehäuses (20) durch einen Durchgang (21) verlaufend, der dicht ist oder nicht. Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform kann sich die Verbindungsachse (37) axial drehen, ohne die Messung der axialen Verschiebung zu stören.
Wenn der Achsendurchgang (21) nicht dicht ist, ist es sachdienlich, Zirkulationslöcher (38, 39) vorzusehen, welche den Durchgang von Luft oder Flüssigkeit während der axialen Verschiebungen der Stütze (32) des Magneten (35) ermöglichen.
Möglicherweise gewährleistet eine O-Ring-Dichtung (40) die Dichtheit zwischen dem Gehäuse (20) der Sonde und dem Organ, an dem sie befestigt ist.
Figur 4 und 5 stellen eine Ausführungsform der linearen Sonde gemäß der Erfindung entlang zweier Querschnittsebenen dar.
Die Sonde besteht aus einem dichten Gehäuse (51) aus nicht-magnetischem Material, wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Dieses Gehäuse weist einen zylinderförmigen Hohlraum (52) auf. Das Gehäuse besteht aus einem unteren Teil (53), der durch einen Deckel (54) verschlossen ist. Eine O-Ring-Dichtung (55) gewährleistet die Dichtheit des Gehäuses. Die vordere Fläche (56) weist eine Öffnung (57) für den Durchgang eines Verbindungsstiftes (59) auf. Ein Lager (60) gewährleistet die Führung des Verbindungsstiftes (59) und begrenzt das mechanische Spiel. Dieses Lager ist nicht unbedingt dicht. Der Verbindungsstift (59) arbeitet mit dem beweglichen Teil (61) über ein Verbindungsorgan (61) zusammen.
Das bewegliche Organ (61) besteht aus einem Lager (63) aus einem nicht-magnetischen Material, zum Beispiel aus Bronze, das an seinem oberen Teil einen Bügel (64) aufweist. Dieser Bügel (64) weist einen Spalt (65) in "U"-Form auf, der mit sehr geringem Spiel auf dem Durchmesser des Endes des Verbindungsstiftes (59) eingestellt ist. Der Verbindungsstift weist zwei Anschläge (80, 81) auf, die das Axialspiel verhindern und die Drehung des Verbindungsstiftes (59) hinsichtlich des mobilen Organs (62) ermöglichen.
Die Verbindung zwischen dem mobilen Organ (61) und dem Stift (59) wird bei Figur 4 in Vergrößerung x3 dargestellt. Eine Feder (84) ist zwischen einer Schulter (86) des Verbindungsstiftes (59) und des vorderen Anschlages (81) angeordnet. Diese Feder (84) drückt den Anschlag (81) gegen den Bügel (64) und verhindert so das Spiel in der Richtung der Verschiebung des beweglichen Organs. Im Gegenzug dazu ermöglicht die Feder, wenn das mobile Organ (62) am Ende des Laufes angelangt ist, die mechanischen Beanspruchungen einzuschränken.
Der untere Teil des Gehäuses aus Bronze (63) weist einen Hohlraum in allgemein zylindrischer Form auf, in den ein Stück aus stationärem Weicheisen (66) eingefügt ist, den ersten ferromagnetischen Teil bildend. Dieser Teil aus Weicheisen weist auf seiner unteren Oberfläche eine Abflachung (67) auf, parallel zum Boden des Gehäuses. Ein dünner Magnet (68) ist in dem unteren Teil des Hohlraums angeordnet. Die Länge Lfd des Stücks aus Weicheisen (66) ist mindestens gleich der Länge La des Magneten, vermehrt um den Lauf des beweglichen Organs. In dem beschriebenen Beispiel ist der Magnet (68) vom Typ Samarium Kobalt Sm1Co5. Er weist einen Nordpol auf, der zum oberen ferromagnetischen Teil (66) ausgerichtet ist, und einen Südpol, der zu den ferromagnetischen Teilen (70, 70') ausgerichtet ist, oder umgekehrt. Er ist einstückig bei der Verschiebung des Verbindungsstiftes (59), der die Verbindung mit dem Teil gewährleistet, von dem man die Position wissen möchte. Der Magnet weist in dem beschriebenen Beispiel eine Dicke von 1 Millimeter und eine Länge von 11 Millimetern auf.
Der zweite ferromagnetische Teil besteht aus zwei Teilen aus Weicheisen (70, 70'), einen sekundären Luftspalt (73) aufweisend und gegen die äußere Oberfläche des Bodens (71) des Gehäuses aus Aluminium geklebt.
Eine magnetisch beeinflußbare Sonde (72) ist in diesem sekundären Luftspalt angeordnet, zum Beispiel eine magnetisch beeinflußbare Sonde, die von dem Unternehmen SIEMENS mit der Bezeichnung KSY14 verkauft wird.
Der Hauptpolluftspalt besteht aus der Distanz zwischen den zwei Teilen (66) und (70, 70') aus Weicheisen. Diese Distanz umfaßt die Dicke des Bodens (71) des Gehäuses, bestimmt in Abhängigkeit des Drucks, dem das Gehäuse standhalten muß, und einen Raum (74), der zwischen der oberen Oberfläche des Magneten (68) und der Abflachung des oberen ferromagnetischen Stücks (66) vorgesehen ist. Der Magnet (68) ist in labilem Gleichgewicht zwischen den beiden Eisenteilen, und auf Grund dieses Gleichgewichts stören die magnetischen Kräfte, die auf ihn wirken, nicht die Verschiebung des Verbindungsstiftes.
Das Lager aus Bronze (63) verschiebt sich, indem es auf dem ferromagnetischen Stück (66) gleitet, und stützt den Dauermagneten (68).
Die Sonde gemäß dieser Ausführungsform ermöglicht eine Verbindung mit einer Vorrichtung, die einen Grad an Drehfreiheit aufweist, zusätzlich zum Grad der linearen Freiheit entlang der Meßrichtung.
Die Erfindung wird durch die vorangegangene Beschreibung beispielhaft und nicht beschränkend beschrieben, und es versteht sich, daß Fachleute imstande sein werden, Ausführungsformen hinzuzufügen, um sie entsprechend den Zwängen anzupassen, die sich bei einer speziellen Anwendung ergeben.

Claims

1. Lagesensor der Art, die einen ferromagnetischen Teil umfaßt, der einen Hauptpolluftspalt (2) aufweist, in dessen Innerem sich ein dünner Dauermagnet (3) verschiebt, und ein Meßmittel für die Induktion in Form einer magnetisch beeinflußbaren Sonde (7) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß er weiters einen sekundären Luftspalt (6, 73) umfaßt, der zum Hauptpolluftspalt (2), in dem die magnetisch beeinflußbare Sonde (7) angeordnet ist, senkrecht steht, und dadurch, daß der doppelpolige Magnet eine gerade Charakteristik in dem zweiten Quadranten der Kurve B(H) aufweist, eine reversible Durchlässigkeit von weniger als 1,2, vorzugsweise einen schwachen Temperaturkoeffizienten, und im Inneren eines dünnen Hauptpolluftspaltes (2) beweglich ist, der durch zwei ferromagnetische Teile (4, 5) begrenzt ist, die durch nichtmagnetische Verbindungsstücke (10, 11) verbunden werden, wobei die Länge des Hauptpolluftspaltes (2), gemessen entlang der Richtung der Verschiebung des beweglichen Magnets (3), mindestens gleich 2(C + E) ist, wobei C den Lauf des Magneten (3) und E die Breite des Luftspaltes (2) bezeichnet, wobei die Länge des Magneten (3) mindestens gleich (C + E) ist und sein Lauf im Vergleich zum sekundären Luftspalt gleich ± C/2 (6, 73) ist.

2. Lagesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei ferromagnetischen Teile (4, 5) mit Hilfe von nicht-magnetischen seitlichen Flanschen (10, 11) verbunden werden.

3. Lagesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (3) sich im Inneren eines dichten röhrenförmigen Teils (13) verschiebt.

4. Lagesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (3) mit der Hülle eines Materials umhüllt ist, das einen geringen Reibungskoeffizienten aufweist, wie beispielsweise Teflon.

5. Lagesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite Z des Dauermagneten, die entlang der Achse gemessen wird, die zur Richtung der Verschiebung und zur Richtung der Magnetisierung senkrecht ist, größer oder gleich 3L ist, wobei L die Länge des Magneten (3) bezeichnet, die in der Richtung seiner Magnetisierung gemessen wurde.

6. Lagesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (35) zylinderförmig und frei drehbar ist, wobei der Meßlauf axial ist, und dadurch, daß der Stator aus einem zylinderförmigen ferromagnetischen äußeren Teil (25) und zwei inneren ferromagnetischen Teilen (27, 28) besteht, die unter sich den sekundären Luftspalt (30) bestimmen, in dessen Innerem die magnetisch beeinflußbare Sonde angeordnet ist.

7. Lagesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein bewegliches Organ (61) umfaßt, das aus einem Lager (63) besteht, welches wiederum an seinem oberen Teil einen Bügel (64) für die Verbindung eines Verbindungsstiftes (59) aufweist, wobei das Lager auf einem ersten ferromagnetischen, zylinderförmigen Teil gleitet, umfassend eine Abflachung und einen Hohlraum, wobei ein dünner Magnet (68) parallel zur Abflachung positioniert wird, wobei der zweite ferromagnetische Teil (70) an die äußere Oberfläche des Bodens (71) eines Gehäuses angebracht wird, das aus einem nicht-magnetischen Material besteht, wobei die magnetisch beeinflußbare Sonde (72) im sekundären Luftspalt (73) senkrecht zur Richtung der Verschiebung des beweglichen Organs (62) angeordnet ist.

8. Lagesensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsstift (59) zwei Anschläge (80, 81) sowie eine Feder (84) umfaßt, die zwischen dem vorderen Anschlag (81) beziehungsweise einer Schulter (86) des Verbindungsstiftes (59) angeordnet sind.