DE69310820T2

DE69310820T2 - Magnetischer Lagegeber mit variabler Kupplungsfläche

Info

Publication number: DE69310820T2
Application number: DE69310820T
Authority: DE
Inventors: William Richeson
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1993-06-22
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2013-06-23
Also published as: US5300883A; EP0578299B1; JP3361567B2; DE69310820D1; JPH0666508A; EP0578299A1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Lagemeßeinrichtung mit Magnetfelderzeugungsmittel zum Erzeugen eines Magnetfelds, mit einer Magnetfeldleiteinrichtung in magnetischer Kopplung mit dem Magnetfelderzeugungsmittel, wobei die Magnetfeldleiteinrichtung derart angeordnet ist, daß wenigstens ein Teil dieser Einrichtung um eine Achse drehbar ist, und mit Meßmitteln zum Messen des in einem Spalt erzeugten Magnetfeldes, wobei dieser Spalt in der Magnetfeldleiteinrichtung definiert ist.

STAND DER TECHNIK

Es ist heutzutage üblich, Magnetfeldmeßanordnungen wie z.B. Hall-Zellen zum Detektieren der Nähe beweglicher Metallelemente zu benutzen. Magnetische Lagemeßgeräte eingangs erwähnter Art, siehe z.B. GB-A-1 297 363 oder US-A-3 900 814, sind bekannt. Jedoch messen derartige Geräte typisch Magnetfelder mit Randeffekten und werden nachteilich von Streumagnetfeldern beeinflußt. Sie können also keine genaue Lagemessungen in geräuschvollen Umgebungen durchführen, wie z.B. unter der Haube von PKWs, an welcher Stelle äußere Magnetfelder wesentlicher Größe im Generator, im Zündsystem und von mehreren anderen Bauteilen erzeugt werden.
Derartige bekannte magnetische Lagemeßgeräte sind auch der Funktion nach begrenzt. Typisch kann jeder bekannte Gerätetyp nur einen Typ von Ausgangssignal erzeugen, wie beispielsweise ein Ausgangssignal, das über einen spezifischen Lagebereich sich linear oder periodisch ändert. Es wäre vorteilhaft, wenn ein magnetisches Lagemeßgerät derart bemessen werden könnte, daß jede Wellenform einer Mehrzahl von Ausgangswellenformen (z.B. linear, exponentiell, sinusoidal) in einem währbaren Lagebereich erzeugbar ist.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetisches Lagemeßgerät zu schaffen, das von äußeren Magnetfeldem nicht wesentlich beeinflußt wird.
Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Gerät zu schaffen, das zum Erzeugen jeder Wellenform einer Mehrzahl von Ausgangssignalwellenformen in wählbaren Legebereichen bemessen werden kann.
Erfindungsgemäß ist ein Lagemeßgerät der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldleitanordnung erste Magnetfeldleitmittel mit ersten und zweiten Elementen aus magnetisch permeablem Material mit jeweiligen im wesentlichen ebenen Oberflächen die sich quer zur Achse erstrecken, wobei diese Oberflächen logspiralische Formen haben und durch einen ersten Spalt voneinander getrennt sind, zweite Magnetfeldleitmittel mit dritten und vierten Elementen aus magnetisch permeablem Material mit jeweiligen im wesenflichen ebenen Oberflächen, die sich quer zur Achse erstrecken, wobei diese Flächen logspiralische Formen haben, voneinander durch einen zweiten Spalt getrennt sind, die Oberflächen des ersten Magnetfeldleitmittels zugewandt und von diesen Oberflächen durch einen dritten Spalt getrennt sind, und dritte Magnetfeldleitmittel zum direkt magnetischen Verkoppeln der dritten und vierten Elemente enthält, wobei das Magnetfelderzeugungsmittel derart angeordnet ist, daß das Magnetfeld Flußlinien aufweist, die den dritten Spalt zwischen dem ersten und zweiten Magnetfeldleitmittel in einer Richtung durchlaufen, die im wesentlichen parallel zur Achse verläuft, das erste und das zweite Magnetfeldleitmittel derart angeordnet ist, daß wenigstens eines der Feldleitmittel um die Achse in bezug auf das andere drehbar ist und das Meßmittel zum Messen der Magnetfeldgröße im ersten Spalt in diesem Spalt angeordnet ist, wobei die Größe die Winkelposition des ersten Magnetfeldleitmittels in bezug auf das andere darstellt. Der Sensor befindet sich in einem direkten Flußweg einer von den verschiedenen Feldleitmitteln gebildeten Magnetschaltung und sein elektrischer Ausgang wird nicht wesentlich von äußeren Magnetfeldern wesentlicher Größen beeinflußt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lagemeßgeräts,
Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch das Gerät nach Fig. 1 entlang der Linie II-II,
Fig. 3 eine Draufsicht eines Anteils des Geräts nach Fig. 1 in der Vergrößerung,
Fig. 4 einen Querschnitt durch den Anteil des Geräts nach Fig. 3 entlang der Linie IV-IV,
Fig. 5 eine isometrische Explosiv-Zeichnung eines drehbaren Magnetanordnungsteils des Lagemeßgeräts nach Fig. 1,
Fig. 6A eine isometrische Ansicht des drehbaren Magnetanordnungsteils und eines festen Magnetanordnungsteils des Lagemeßgeräts nach Fig. 1,
Fig. 6B eine vereinfachte Draufsicht auf eine Magnetanordnungseinrichtung, die durch Anordnung der Anteile nach Fig. 6A erzeugt wird,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer von der Magnetanordnungseinrichtung gebildeten Magnetschaltung,
Fig. 8A bis 8D Diagramme mit den Nichtlinearitäten von Reluktanzen in der Magnetschaltung nach Fig. 7,
Fig. 9 eine graphische Darstellung einer geometrischen Form, die zum Beschreiben der Formen magnetischer Anordnungen bei Verwendung in verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen nützlich ist,
Fig. 10 ein Diagramm mit mehreren in den Magnetanordnungen nach Fig. 6A möglichen Empfangscharakteristiken,
Fig. 11A bis 11C mehrere Ansichten eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Magnetanordnungseinrichtung, die in einem Lagemeßgerät nach der Erfindung verwendbar ist,
Fig. 12 ein Diagramm mit einer typischen Empfangscharakteristik für die Magnetanordnungseinrichtung nach Fig. 11,
Fig. 13A und 13B mehrere Ansichten eines dritten Ausführungsbeispiels einer Magnetanordnungseinrichtung, die in einem Lagemeßgerät nach der Erfindung verwendbar ist,
Fig. 14 ein Diagramm mit einer typischen Empfangscharakteristik für die Magnetanordnungseinrichtung nach Fig. 13,
Fig. 15A, 15B und 15C mehrere Ansichten eines vierten Ausführungsbeispiels einer Magnetanordnungseinrichtung, die in einem Lagemeßgerät nach der Erfindung verwendbar ist,
Fig. 16 eine schematische Darstellung einer von der Magnetanordnungseinrichtung nach Fig. 15 gebildeten Magnetschaltung, Fig. 17 ein Diagramm mit typischen Empfangscharakteristiken für die Magnetanordnungseinrichtung nach Fig. 15.
In Fig. 1 und 2 sind Ausführungsbeispiele des Lagemeßgeräts dargestellt, die die Winkelposition einer Welle um eine Achse 8 in bezug auf ein statisches Gehäuse 10 magnetisch messen. Das Gehäuse 10, vorzugsweise aus thermoplastischer Gußmasse, enthält eine Leiterplatte 12, die ein Lagesignal zur Darstellung der Winkelposition der Welle 6 um die Achse 8 erzeugt. Die Leiterplatte 12 ist am und im Gehäuse 10 in einer festen Position befestigt. Eine Hall-Zelle 14 ist über ihre Leitungen 16 durch eine Öffnung in der Leiterplatte 12 zum Messen der Winkelposition der Welle 6 in bezug auf die Leiterplatte 12 auf eine zu beschreibende Weise hängend befestigt.
Die Leiterplatte 12 ist mit den Kontakten eines elektrischen Yerbinders 18 elektrisch verbunden, der elektrisch mit einem Computer 220 über ein Kabel 19 (schematisch dargestellt) verbunden ist. Das Lagesignal wird über das Kabel 19 zum Bearbeiten im Computer 20 übertragen, der ein Steuersignal zum Betreiben eines nichtdargestellten Betätigungsglieds erzeugt. Ein Typ von Betätigungsglied, das auf vorteilhafte Weise direkt von Digitalimpulsen aus einem Computer steuerbar ist, ist ein Art von Schrittmotor, der als digitales Linearbetätigungsglied bekannt ist. Dieser Typ von Motor setzt Drehbewegung infolge der Zufuhr elektrischer Impulse an die Motorwicklungen in eine lineare Bewegung eines Wellenelements des Motors um. Eine typische Anwendung ist die genaue Positionierung eines Motorsteuerelements, wie z.B. eines Drosselhebels.
Wie in Fig. 2 wird ein Hebel 22 an der Welle 6 zum Messen der Lage eines vom nicht-dargestellten Betätigungsglied angetriebenen Elements in Beantwortung des im Computer erzeugten Steuersignals befestigt. Die Welle 6 besteht aus einem Metall wie Stahl und ist in einem drehbaren thermoplastischen Ringelement 26 konzentrisch mit der Achse 8 befestigt. Das Kunststoffelement 26 ist an der Metallwelle 6 durch Einspritzumpressen befestigt.
Ein Ende des Ringelements 26 ist um die Achse 8 in einem festen Ringanteil 28 des Gehäuses 10 mittels einer Zylinderhülsenlagerung 27 aus einem thermoplastischen Werkstoff wie Polythalamid drehbar befestigt. Eine Torsionsfeder 30, die mit einem Ende am drehbaren Ringelement 26 befestigt und mit ihrem anderen Ende am Ringgehäuseanteil 28 befestigt ist, spannt federnd das Ringelement 26 in bezug auf den Ringanteil 28 in eine vorgegebenen Winkelposition vor. Obgleich es in Fig. 2 nicht dargestellt ist, erfolgt dies in einer Ausführung des veranschaulichten Ausführungsbeispiels durch Einsetzen der beiden Enden der Torsionsfeder in Rillen im Element 26 und im Gehäuseanteil 28, die Formen und Abmessungen entsprechend denen der betreffenden Federenden aufweisen.
Eine Magneteinrichtung 32 wird an und in einem Hohlraum des Ringelements 26 befestigt, das mit der Welle 6 in Beantwortung der Bewegung des Hebels 22 sich dreht. Die obere Fläche der Magneteinrichtung 32 steht gleitend in Kontakt mit einem thermoplastischen Plattenelement 34, das einen Teil des Gehäuses 10 bildet. Das Plattenelement 34 hat eine Dicke, die einen Magnetspalt zwischen der drehbaren Magneteinrichtung 32 und einer festen Magneteinrichtung 35 mit zwei Polstücken in Form der Platten 36 und 38 definiert. (Ein Polstück 36 ist in Fig. 2 dargestellt, aber beide sind in Fig. 1 und 3 wiedergegeben.)
Wie in Fig. 2, 3 und 4 näher veranschaulicht, enthält die feste Magneteinrichtung 35 ebenfalls einen frei tragenden Hebel 40 mit einem Magnetwerkstoff hoher Permeabilität, jedoch niedriger Magnetremanenz, zum Beispiel geschmieder Eisen, das mit einem Ende am Polstück 38 in flußleitendem Kontakt befestigt ist. Ein gegenüberliegendes Ende 42 des Hebels 40 erstreckt sich über ein Gebiet des Polstücks 36, über dem sich der Hall-Sensor 14 befindet. Die Polstücke 36 und 38 werden in einer festen Lage in bezug auf die Leiterplatte 12 verbunden.
In Fig. 5 sind die Bauteile der Magneteinrichtung 32 dargestellt, die zwei gleich-dimensionierte, spiegelbildliche, scheibensegmentierte Magneten 44 und 46 enthält. Eine Hochmagnetpermeabilitäts-Eisenplatte 48 mit Umfangsabmessungen entsprechend denen des Magneten 44 wird mit der oberen Fläche des Magneten 44 beispielsweise mit einem Epoxydharz verbunden. Auf ähnliche Weise wird eine zweite Platte 50 gleich der Platte 48 mit Umfangsabmessungen entsprechend denen des Magneten 46 mit der oberen Fläche des Magneten 46 verbunden. Eine Schmiedeeisenplatte 52 hat äußere Umfangsabmessungen, die die Außenabmessungen der zusammengesetzten Magneteinrichtung 32 definieren. Die niedrigeren Flächen der Magneten 44 und 46 werden auf ähnliche Weise mit der Platte 52 verbunden, die verhältnismäßig hohe Magnetpermeabilität aufweist. Die Platten 48, 50 und 52 neigen zum Führen einer einheitlichen Flußverteilung aus den Magneten 44 und 46 trotz möglichen ungeraden Flußverteilungen in den Magneten. In einem typischen Ausführungsbeispiel sind die Polstücke 36 und 38 Platten aus Schmiedeeisen (z.B. 0,04%), die je eine ungefähre Dicke von 0,20 Zoll haben und zusammen einen Kreis mit einem Durchmesser von etwa 0,750 Zoll definieren. Die Platten 48 und 50 bestehen aus 0,18% unlegiertem Stahl und haben je eine ungefähre Dicke von 0,030 Zoll. Die Platte 52 besteht aus 0,18% unlegiertem kalt-gewalztem Stahl (mit der Bezeichnung 1018-Stahl) und hat eine Dicke von etwa 0,030 Zoll. Das thermoplastische Plattenelement 34 besteht aus einem Werkstoff wie Polythalamid und hat eine Dicke von etwa 0,040 Zoll.
Wie in Fig. 3 dargestellt, sind die Polstücke 36 und 38 halbkreisförmig und sind durch einen Luftspalt 54 voneinander getrennt. Die unterliegende Magneteinrichtung 32 enthält die Magnete 44 und 46 und ihre entsprechenden Platten 48 und 50, die durch einen Luftspalt 56 von etwa 0,050 Zoll voneinander getrennt sind. Der Spalt 56 überbrückt das Gebiet 58 auf der unteren Platte 52 (siehe Fig. 5).
In Fig. 6A ist in perspektivischer Darstellung mit einer übertrieben dargestellten Trennung die Einrichtung auf der Achse 8 der festen Magneteinrichtung 35 in bezug auf die drehbare Magneteinrichtung 32 dargestellt. In Fig. 6B sind in einer vereinfachten Draufsicht die Oberflächengebiete der Platten 36 und 38 auf den Oberflächengebieten der Platten 48 und 50 dargestellt und sind den letztgenannten Oberflächengebieten zugewandt. Zusammen bilden die zwei Magneteinrichtungen, die durch einen vom nicht-magnetischen Plattenelement 34 (Fig. 4) voneinander getrennt sind, eine variable Reluktanzmagnetschaltung, die mit weiteren Einzelheiten zum besseren Verständnis ihres Betriebes beschrieben wird. Eine gleichartige Magnetschaltung ist schematisch in Fig. 7 veranschaulicht. In der Schaltung ist schematisch (und durch ihre ganze Anwendung hindurch) der Buchstabe R zum Angeben linearer Reluktanzen (d.h. Reluktanzen, die im wesentlichen sich nicht mit der Magnetfeldstärke ändern) verwendet, und der Buchstabe Z wird zum Angeben nichtlinearer Reluktanzen (d.h. Reluktanzen, die im wesentlichen mit der Magnetfeldstärke sich ändern) verwendet.
Die wichtigsten Hauptreluktanzen werden in die Brücke an der rechten Seite der schematischen Magnetschaltung aufgenommen. Sie umfassen vier variable Reluktanzen RN, RM, RL, RP, die Reluktanz RH der Hall-Zelle 14, die sich zwischen dem Hebelende 42 und dem Polstück 36 (Fig. 4) befindet, die Reluktanz ZA des Hebels selbst und die Spaltreluktan Zg54. Diese letztgenannte Reluktanz, die sich im allgemeinen in Fig. 6A wie entsprechend dem Luftspalt 54 befindet, stellt die Reluktanz eines Flußweges vom Polstück 36 über die unterliegenden Platten 48 und 50 zum Polstück 38 dar. Die einander zugewandten Ränder der Platten 36 und 38 verjüngen sich, mit Ausnahme eines flachen Anteils unter dem Endhebel 40 zum wirksamen Vergrößern der Spaltbreite, wobei Flußleckerscheinungen am Spalt abnehmen. Die variablen Reluktanzen RN, RM, RL, RP stellen die Reluktanzen von Flußwegen zwischen den Platten 36, 38 und den Platten 48 und 50 in den jeweiligen einander zugewandten Gebieten mit den Bereichen N, M, L, P dar. Es sei bemerkt, daß die Bereiche dieser Gebiete (und also die Reluktanzen RN, RM, RL, RP) sich mit der Winkelposition der Platten 48 und 50 ändern, wenn die Magneteinrichtung 32 um die Achse 8 gedreht wird.
Die Reluktanzen ZPM1, ZPM2, ZLN1, ZLN2 stellen nichflineare Reluktanzen in Verknüpfung mit den Platten 36 und 38 dar. Spezifisch stellen ZPM1 und ZPM2 die kombinierten Reluktanzen eines Flußweges über die Platte 36 vom Bereich P der Platte 50 zum Bereich M der Platte 48 dar. Ähnlich stellen ZLN1 und ZLN2 die kombinierten Reluktanzen eines Flußweges über die Platte 38 vom Bereich L der Platte 50 zum Bereich N der Platte 48 dar. Diese Reluktanzen sind im Vergleich zu RN, RM, RL, RP (mit denen sie magnetisch in Reihe geschaltet sind) klein und haben nur eine Beeinflussung zweiter Ordnung auf die Größe des Flusses durch die Hall-Zelle.
Die linke Seite der Fig. 7 veranschaulicht die Magnetfelder EM44, EM46 der Magneten 44 und 46 (z.B. je 2000 Gauß) und Reluktanzen in Verknüpfung mit den Magneten selbst und mit den benachbarten Platten 48, 50 und 52. Z44 und Z46 stellen die Reluktanzen der Wege des Flusses durch die Magneten 44 und 46 und durch die benachbarten Platten 48, 50 und 52 dar. Rf44 stellt die Reluktanz des Weges des Fransenflusses um den Umfang des Magneten 44 herum durch die Ränder des Platte 48 nach den Rändern eines entsprechenden Gebietes 52A der Platte 52 dar. Ähnlich stellt Rf46 die Reluktanz des Weges des fransen Flusses um den Umfang des Magneten 46 herum durch die Ränder der Platte 50 nach den Rändern eines entsprechenden Gebietes 52B der Platte 52 dar. Z52 stellt die Reluktanz eines Flußweges durch ein Gebiet der Platte 52 zwischen den Gebieten 52A und 52B dar. Rg 56 stellt die Reluktanz eines Flußweges durch den Spalt 56 zwischen den Platten 48 und 50 dar.
Die Linear/nichtlinearen Kennlinien der verschiedenen Reluktanzen und ihre Auswirkungen auf dem Betrieb des Lagemeßgeräts wird jetzt anhand der Fig. 5 bis 8 näher erläutert. Im allgemeinen sei bemerkt, daß die Flußgrößen durch die verschiedenen Reluktanzen sich ändern, wenn die Magneteinrichtung 32 von einer Null- Lage weg gedreht wird, wobei die vier Reluktanzen RN, RM, RL, RP einander gleich sind. In dieser Lage durchfließt der Hall-Zelle kein Fluß.
Die Größen der Reluktanzen Z44, Z46, Z52 und ZA ändern sich nicht linear mit der Größe des Flusses durch die Magnetschaltung. Diese nichtlineare Änderung wird mit den Kurven in Fig.8A, 8B, 8C bzw. 8D dargestellt, wobei θ den Drehwinkel der Magneteinrichtung 32 weg von der Null-Lage darstellt (θ = 0). Aus Fig. 8A, 8B und 8D ist ersichtlich, daß die Reluktanzen Z44, Z46 und ZA sich parabolisch mit θ ändern. In Fig. 8C sind zwei verschiedenen Kurven (I und II) für die Reluktanz Z52 dargestellt. Die Kurve I stellt die Reluktanz Z52 dar, wenn die Platte 52 eine erste Dicke aufweist, während die Kurve II die Reluktanz Z52 darstellt, wenn die Platte 52 eine zweite größere Dicke aufweist. Wenn die Dicke weiter erhöht wird, wird möglicherweise eine Dicke erreicht, bei der die Reluktanz konstant wird, ungeachtet der Größe des Flusses durch die Platte 52. In Fig. 8D sind zwei verschiedenen Kurven (I und II) für die Reluktanz ZA dargestellt. Die Kurve I stellt die Reluktanz ZA dar, wenn der Hebel 40 einen ersten kleineren Querschnittsbereich aufweist, während die Kurve II die Reluktanz ZA darstellt, wenn der Hebel einen zweiten größeren Querschnittsbereich aufweist. Wie es der Fall ist mit der Platte 52, wenn der Querschnittsbereich des Hebels 40 weiter vergrößert wird, kann möglicherweise ein Gebiet erhalten werden, in dem die Reluktanz konstant wird, ungeachtet der Größe des Flusses durch den Hebel.
Es sei bemerkt, daß die Kurven für die Reluktanzen Z44, Z46 und ZA gleich, jedoch umgekehrt der Kurven für die Reluktanz Z52 sind. Durch Einstellung der Dicke der Platte 52 und des Querschnittsbereiches des Hebels 40 kann die Nichtlinearität der Reluktanz Z52 im wesentlichen zum Gegenwirken der der Reluktanzen Z44, Z46 und AZ gemacht werden, wobei die Reluktanz Z52 wesentlich in magnetischer Reihenschaltung besteht.
Die nichtllineare Leckreluktanz Zg54 könnte durch möglichstes Vergrößern der Breite des Spaltes 54 zwischen den Platten 36 und 38 minimisiert werden. Wenn die Spaltbreite größer gemacht wird, wird dies jedoch die Linearität verringern und die Änderungsgeschwindigkeit der Verhältnisse der Bereiche N:L und M:P abhängig vom Drehwinkel θ vergrößern. Daher wird der Spalt 54 kleiner gemacht (z.B. 0,040 Zoll) und die Ränder der Platten 36 und 38 zum Verbinden des Spaltes 54 werden voneinander weg veijüngt zur Minimisierung von Flußleck den Spalt. Dies beeinflußt nicht wesentlich die Verhältnisse der Bereiche N, M, L, P, die die einanderzugewandten Flächen der Platten 36, 38 und 48, 50 bestimmen.
Die Reluktanzen Rf44, Rf46 und Rg56 beeinflussen die Linearität der Schaltung nicht, aber würden die Empfindlichkeit der Schaltung wesentlich beeinflussen, wenn sie erheblichen Fluß weg von den Brückenreaktanzen nebenschließen. Jedoch sind alle drei dieser Reaktanzen Luchtspalte durch niedrige magnetische Permeabilität und sie schließen kollektiv nur einen unwesentlichen Betrag des Flusses weg von der Brücke neben.
Die Größen der Reluktanzen RN, RM, RL, RP sind umgekehrt proportional den betreffenden Bereichen N, M, L, P. Die Bereiche selbst werden durch die Formen und Drehpositionen der beiden Hälften der Magneteinrichtung 32 bestimmt. Es sei bemerkt, daß in diesem Ausführungsbeispiel jeder der Magneten 44, 46 und jede der entsprechenden Platten 48, 50 eine Log-Spiralform haben, wodurch das Bemessen des Entwurfs des Lagemeßgeräts zum Betreiben in einem gewünschten Winkelbereich erleichtert wird.
Die Log-Spiralform wird durch folgende Gleichung definiert:
z = Aeγφ
die in Fig. 9 über einen Winkelsektor von 180º aufgetragen ist und der Form jeder der beiden Hälften der Magnetanordnung 32 entspricht. Es sei bemerkt, daß der Asymmetriegrad des 180º-Sektors vom Wert von γ abhängig ist. Besonders wichtig ist der Wert γ = 1, bei dem die Log-Sprialform einen Halbkreis des Radius A wird und wobei der Winkel φ = 90º eine Linie angibt, die die Form in zwei gleichen Gebietenn verteilt. Eine derartige Halbkreisform wäre in einem Entwurf nützlich, in dem der Nullpunkt in der Mitte des Betriebswinkelbereichs des Positionsmeßgeräts erscheint. Jedoch wenn eine außermittige Nullposition erwünscht ist, kann nachstehende Gleichung gelöst werden, wobei γ die geeignete 180º-Log-Spiralform definiert:
Obige Gleichung positioniert den Winkel φ, bei dem die Log-Spiralform in zwei gleiche Bereiche verteilt wird.
Die Kurven in Fig. 10 veranschaulichen im allgemeinen die Änderung der Ausgangsspannung E der Hall-Zelle mit der Drehposition θ der drehbaren Magnetanordnung 32 bei verschiedenen Werten von γ. Wenn γ = 1 ist (d.h. bei einer kreisförmigen Log-spiralform), erscheint der Nullpunkt (E = 0) bei θ = 0º und der Linearbereich der Ausgangsspannungen erstreckt sich gleichwinklig zum Drehen der Magnetanordnung 32 in einer bestimmten Richtung. Bei Wertenn von γ, die größerals 1 sind, erscheint der Nullpunkt unter einem negativen Winkel und der Linearbereich der Ausgangsspannungen erstreckt sich über einen größeren Bereich bei positiver Drehung als bei negativer Drehung. Bei Werten von γ kleiner als 1 erscheint der Nullpunkt unter einem positiven Winkel und der Linearbereich der Ausgangsspannungen erstreckt sich über einen größeren Bereich bei negativer Drehung als bei positiver Drehung.
In einer Prüfanordnung der oben beschriebenen Ausführung mit einer Magnetanordnung 32 mit log-spiralförmigen Elementen, bei denen γ = 1 ist, und unter Verwendung eines Typs LT135A Hall-Zelle von Sharp Electronics Corporation of Camos, Washington, lieferte die Hall-Zelle eine lineare Ausgangsspannung, die sich von -0,28 V bis +0,28 V über einen Drehwinkelbereich von θ = -70º bis θ = +70º änderte. Der Nullpunkt trat bei θ = 0º auf. In der Prüfanordnung wurde die Hall- Zellenausgangsspannung mit einem Verstärkungsgrad von 14,3 vor dem Übertragen auf dem Kabel 19 zum Computer 20 verstärkt.
In Fig. 11 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Magnetanordnungseinrichtung veranschaulicht, die in einem Positionsmeßgerät wie dem nach Fig. 2 statt der beiden Einrichtungen 32 und 35 verwendet werden kann. Die Teile infig. 11 sind um 100 höher numeriert als entsprechende Teile in Fig. 6.
Die Magnetanordnungen 132 und 135 enthalten log-spiralförmige Elemente (in diesem Fall kreisförmig), bilden eine von der schematisch in Fig. 7 dargestellten Schaltung veranschaulichte Magnetschaltung und haben Betriebskennlinien gleich den Magnetanordnungen 32 und 35. Jedoch wie am besten in der Seitenansicht nach Fig. 11A dargestellt ist, hat jede der Magnetanordnungen 132 und 135 eine Keilform. Diese Form wird durch die Magneten 144 und 146 für die drehbare Magnetanordnung 132 und von den Polplatten 136 und 138 für die statische Magnetanordnung 135 bestimmt.
In der in allen drei Figuren 11A, B, C dargestellten Drehposition, wobei die Platten 136 und 138 orthogonal in bezug auf die Platten 148 und 150 orientiert sind (d.h. θ = 0º), werden von diesen beiden Plattenpaaren definierte einanderzugewandte planare Oberflächen einheitlich von einem Axialabstand h getrennt parallel zur Achse 8 gemessen). Der Axialabstand d stellt die Dicke des thermoplastischen Plattenelements 34 nach Fig. 2 und 4 dar.
Da das drehbare Magnetelement 132 in einer beliebigen Richtung gedreht wird, ändert sich der mittlere Abstand zwischen den einanderzugewandten Oberflächen der Platten 138 und 150 in einer Richtung (z.B. nimmt ab), während der mittlere Abstand zwischen den einanderzugewandten Oberflächen der Platten 136 und 148 sich in der anderen Richtung ändert (z.B. wird größer). Diese Änderungen im Abstand werden die Änderungen in den Reluktanzen RN, RM, RL, RP ändern, wobei θ sich starker ändert als die Änderungen in den Bereichen N, M, L, P. Dies wird dadurch verursacht, daß die Reluktanzen sich mit den Änderungen in den betreffenden Bereichen invertiert sich ändern, aber proportional sich mit dem Quadrat des Abstands h ändern.
Die Kurve in Fig. 12 veranschaulicht im allgemeinen die Änderung der Ausgangsspannug E der Hall-Zelle mit der Drehposition θ der Magnetanordnung 132. Es sei bemerkt, daß die Null auftritt bei θ = 0º und die Kurve ist sinusoidal in einem Winkelbereich, der ungefähr gleichwertig zu dem der Ausführungsform nach Fig. 6 ist.
In Fig. 13 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Anordnung der Magnetanordnungen veranschaulicht, die in einem Positionsmeßgerät verwendbar sind, wie das nach Fig. 2. Die Teile in Fig. 13 sind um 200 höher numeriert als entsprechende Teile in Fig. 6.
Die Magnetanordnungen 232 und 235 enthalten kreisförmige loch-spiralförmige Elemente, bilden eine Magnetschaltung, die mit der in Fig. 7 dargestellten schematischen Schaltung veranschaulicht sind, und haben Betriebskennlinien gleich denen der Magnetanordnungen 32 und 35. Jedoch wie am besten in Fig. 13B veranschaulicht, die die relativen Positionen der Magnetanordnungen bei θ = 0 veranschaulicht, belegen die Bereiche N, M, L, P kollektiv nur einen verhältnismäßig kleinen Anteil des Gesamtbereichs von 360º der beiden Anordnungen und bestehen nur über einen verhältnismäßig geringen Drehungsgrad des Magnetelements 232.
Die Kurve in Fig. 14 veranschaulicht im allgemeinen die Änderung der Ausgangsspannung E der Hall-Zelle mit der Drehposition θ der Magnetanordnung 232. Es sei bemerkt, daß die Null bei θ = 0º erscheint und die Kurve hat einen linearen Anteil mit einer großen Flanke, die sich über nur einen geringen Drehwinkelbereich erstreckt. Diese Anordnung ist nützlich in Anwendungen, in denen ein geringer Bewegungsbereich mit einer Höchstempfindlichkeit detektiert werden muß.
In Fig. 15 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Magnetanordnungen veranschaulicht, die in einem Positionsmeßgerät wie das nach Fig. 2 verwendbar ist. Die Teile in Fig. 15 sind um 300 höher numeriert als entsprechende Teile in Fig. 6.
Die Magnetanordnung 335 enthält kreisförmige loch-spiral-förmige Elemente 336 und 338 mit entsprechenden Schlitzen zum Festhalten einander gegenüberliegender Enden der Hall-Zelle 14, die einen Spalt zwischen diesen Elementen überbrückt. Die Magnetanordnung 332 enthält ein integrales dauermagnetisiertes Element mit den Zungen 344A und 346A, die sich axial von den jeweiligen kreisförmigen Anteilen 344 und 346 erstrecken. Diese Zungen ergänzen die jeweiligen Oberflächenbereiche der Anteile 344 und 346, die entsprechende Gebiete der Elemente 336 und 338 zugewandt sind. Die Zungen bewirken einen Winkelversatz der Null- Position in bezug auf die Drehposition, in der die Spalte 354 und 356 gegenseitig orthogonal sind, d.h. θ = 0º.
In Fig. 16 ist schematisch der Brückenanteil der von den Magnetanordnungen nach Fig. 15 gebildeten Magnetschaltung veranschaulicht. Es sei bemerkt, daß alle Reaktanzen linear sind, wobei RT1 und RT2 die Reaktanzen der Spalte zwischen den Zungen und den entsprechenden einanderzugewandten Bereichen der Elemente 336 und 338 darstellen. Die Reaktanz Rg stellt die Reluktanz des Spaltes 354 zwischen den Elementen 336 und 338 dar.
Die ausgezogene Kurve in Fig. 17 veranschaulicht im allgemeinen die 25 Änderung der Ausgangsspannung E der Hall-Zelle mit der Drehposition θ der Magnetanordnung 332. Es sei bemerkt, daß die Null (E = 0) bei einem Versatz von θ = 0º durch die Winkelpositionierung der Zungen 344A und 346A auftritt. Die gestrichelte Kurve veranschaulicht die Ausgangsspannung der Hall-Zelle, wenn die Zungen abgenommen sind oder entlang den Peripherien ihrer jeweiligen Elemente 344 und 346 zentral angeordnet sind. Es sei bemerkt, daß beide Kurven sinusoidal sind.

Claims

1. Positionsmeßgerät mit magnetfelderzeugenden Mitteln (44, 46) zur Durchführung der Erzeugung eines Magnetfelds, mit einer magnetfeldleitenden Einrichtung (32, 35), die mit den magnetfelderzeugenden Mitteln magnetisch gekoppelt ist, wobei die magnetfeldleitende Einrichtung derart montiert ist, daß wenigstens ein Teil (32) der Einrichtung um eine Achse (8) drehbar ist, und mit Meßmitteln (14) zum Messen des in einem Spalt erzeugten Magnetfelds, wobei der Spalt in der Magnetfeldleitanordnung definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldleitanordnung folgende Elemente enthält:

erste Magnetfeldleitmittel (35) mit ersten und zweiten Elementen (36, 38) aus magnetisch permeablem Material mit jeweiligen im wesentlichen flachen Oberflächen, die sich quer zur Achse (8) erstrecken, wobei die Oberflächen Log-Spiral- Formen haben und durch einen ersten Spalt (54) voneinander getrennt sind,

zweite Magnetfeldleitmittel (32) mit dritten und vierten Elementen (48, 50) aus magnetisch permeablem Material mit jeweiligen im wesentlichen flachen Oberflächen, die sich quer zur Achse erstrecken, wobei die Oberflächen Log-Spiral- Formen haben, voneinander durch einen zweiten Spalt (56) getrennt sind, den Oberflächen der ersten Magnetfeldleitmittel zugewandt und von den Oberflächen durch einen zweiten Spalt (34) getrennt sind,

dritte Magnetfeldleitmittel (52, 44, 46) zum direkten magnetischen Koppeln der dritten und vierten Elemente (48, 50),

wobei die Magnetfelderzeugungsmittel (44, 46) derart angeordnet sind, daß das Magnetfeld Flußlinien aufweist, die durch den dritten Spalt (34) zwischen den ersten und zweiten Magnetfeldleitmitteln in einer Richtung gehen, die im wesentlichen parallel zur Achse verläuft,

die ersten und zweiten Magnetfeldleitmittel derart montiert sind, daß wenigstens ein der Feldleitmittel um die Achse in bezug auf einander drehbar ist, und

die Meßmittel im ersten Spalt zum Messen der Magnetfeldgröße in diesem Spalt angeordnet sind, wobei die Größe die Winkelposition des ersten Magnetfeldleitmittels in bezug auf das andere darstellt.

2. Positionsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldleitanordnung außerdem vierte Magnetfeldleitmittel (40) enthält, die an einem Ende mit einem der ersten und zweiten Elemente (36, 38) in Flußleitkontakt befestigt ist, ein gegenüberliegendes Ende (42) sich über einen Anteil des anderen Elements erstreckt und davon durch einen Spalt getrennt ist, der einen Teil des ersten Spalts bindet, und das Meßmittel (14) in diesem Teil des ersten Spalts angeordnet ist.

3. Positionsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßmittel (14) einen Hall-Sensor enthält.

4. Positionsmeßgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfelderzeugungsmittel (44, 46) wenigstens einen Dauermagneten enthält.

5. Positionsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfelderzeugungsmittel (44, 46) Dauermagnettmittel enthält, die an einem der ersten und zweiten Magnetfeldleitmittel (32, 25) befestigt ist.

6. Positionsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfelderzeugungsmittel (344, 346) einen dauermagnetisierten Teil eines der ersten und zweiten Magnetfeldleitmittel (332, 335) enthält.

7. Positionsmeßgerät nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der ersten und zweiten Spalte (54, 56) einen konstanten Zwischenraum zwischen den hierdurch voneinander getrennten jeweiligen Oberflächen definiert.

8. Positionsmeßgerät nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Spalt (34) einen Zwischenraum zwischen den dabei voneinander getrennten jeweiligen Oberflächen definiert, der sich mit der Winkelposition ändert.