WO2009121193A1

WO2009121193A1 - Magnetische linearsensoranordnung

Info

Publication number: WO2009121193A1
Application number: PCT/CH2009/000085
Authority: WO
Inventors: Christian Aebi; Andreas Imhof; Joshua Lanter
Original assignee: Polycontact Ag
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2009-10-08
Also published as: US20110043193A1; DE112009000299A5; US8531181B2

Abstract

Eine magnetische Linearsensoranordnung (10) zur Erfassung der Lage eines entlang einer vorgegebenen Stellbahn (T) verstellbaren Bauteils besitzt eine entlang der Stellbahn (T) angeordnete Einrichtung (4, 5) zur Erzeugung eines Magnetfelds, dessen Polarität (J) sich entlang der Stellbahn (T) des Bauteils verändert, und wenigstens einen im Wirkungsbereich des Magnetfelds angeordneten galvanomagnetischen Detektor mit wenigstens zwei Messfeldern. Der Detektor ist relativ zum Magnetfeld entlang der Stellbahn (T) des Bauteils verstellbar. Bei dem galvanomagnetischen Detektor handelt es sich um einen Hallsensor (1), der dazu ausgebildet ist, das Magnetfeld in wenigstens zwei Richtungen in einer Ebene oder räumlich zu messen. Dazu ist der Hallsensor mit wenigstens zwei Messfeldern (2, 3) ausgestattet, die in einer von ihnen aufgespannten Ebene (x,y) senkrecht zueinander verdreht sind.

Description

Magnetische Linearsensoranordnung

Die Erfindung betrifft eine magnetische Linearsensoranordnung zur Erfassung der Lage eines entlang einer vorgegebenen Stellbahn verstellbaren Bauteils gemass dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In zunehmendem Masse erobern elektronische Komponenten Bereiche, die bislang vorwiegend dem mechanischen Gebiet zugerech- net wurden. Dies betrifft insbesondere auch die Maschinen- und die Automobilindustrie, welche ihre Produkte, dem allgemeinen Trend entsprechend, mit Elektronik ausstattet, um mechanische Funktionen elektronisch zu erfassen, zu steuern, zu regeln und/oder dem Anwender Informationen mitzuteilen. Zur Umsetzung der mechanischen Funktionen eines Bauteils in elektronisch verarbeitbare Signale und umgekehrt dienen Sensoranordnungen und Aktuatoren als Verbindungsglieder zwischen den beiden Welten.

Positionssensoren werden vielfach eingesetzt, um die Lage oder den Bewegungszustand eines mechanischen Bauteils zu erfassen. Die vom Positionssensor erfassten Informationen werden üblicherweise in elektrische Signale umgeformt, die sich in Abhängigkeit von der Positionsanderung des Bauteils veran- dern. Positionssensoren sind bei vielen mechanischen Produkten ein wichtiger Bestandteil, der erst eine intelligente Steuerung ermöglicht.

Die Erfassung einer entlang einer vorgegebenen Bahn zuruckge- legten Wegstrecke eines Bauteils ist beispielsweise beim

Ablangen von Materialien von Interesse. Die dafür eingesetzten analogen translatonschen Positionssensoren arbeiten vielfach nach dem Ohmschen oder dem Induktionsprinzip. Bei beiden Prinzipen wird die analoge (kontinuierliche) Umsetzung eines Verfahrweges in ein elektrisches Signal ausgenutzt. Bei Positionssensoren nach dem ohmschen Messprinzip wird über einen Schleifer von einem Widerstandsdraht die elektrische Spannung abgegriffen, deren Grosse von der Drahtlänge abhängt. Derartige Potentiometer haben den Nachteil, dass der Schleifer und der Draht einem relativ grossen Verschleiss unterworfen sind. Beim Induktionsprinzip wird im Messsystem über eine Wechselspannung ein Magnetfeld induziert, welches in einer Spule eine elektrische Spannung erzeugt. Die Spule wird relativ zum übrigen Messsystem bewegt. Die in der Spule induzierte Spannung hängt von ihrer Position im Messsystem ab. Mit Hilfe geeigneter elektronischer Schaltungen kann daraus ein Positionsmesssignal gewonnen werden. Das Messverfah- ren ist zwar berührungslos; jedoch wird eine Wechselspannungsquelle benötigt und ist ein relativ grosser elektronischer Aufwand erforderlich, um ein Positionsmesssignal zu erzeugen .

Andere bekannte Wegmesssysteme benutzen beispielsweise Magnetbänder, deren Magnetfeld von einem Lesekopf abgegriffen und in ein Positions- bzw. Wegmesssignal umgeformt wird. Beim Seillängenaufnehmer wird entsprechend dem Verfahrweg ein Seil auf eine Trommel gewickelt oder über eine Rolle geführt. Die Umdrehungen werden erfasst und daraus ein Wegmesssignal erzeugt. Beim magnetostriktiven Prinzip ändert ein verschieblicher Magnet seine Schallreflexionseigenschaften. Über eine Ultraschall-Laufzeitmessung wird in Verbindung mit einer relativ aufwendigen Auswerteelektronik der Ort des Magneten und damit der Verschiebeweg festgestellt. Aus der US-6,753,680 B2 ist ein Positionssensor bekannt, der zwei im Abstand voneinander, parallel zueinander verlaufende Flussleitschienen und Permanentmagneten umfasst, die an den Enden der Flussleit- schienen angeordnet sind. Im Spalt zwischen den Flαssleit- schienen ist ein Hallsensor angeordnet, der relativ zur Langserstreckung der Flussleitschienen verschiebbar ist. Das am Ausgang des Hallsensors anliegende Ausgangssignal, dass sich in Folge der Relativverschiebung verändert, wird weiterverarbeitet und als Mass für die zurückgelegte Wegstrecke des überwachten Bauteils herangezogen. Nachteilig ist, dass der Sensor zwischen Schienen gefuhrt ist, und dass die Flussdichte im Mittenbereich relativ klein ist, sodass der Aufbau sto- rungsempfindlich gegenüber Fremdmagnetfeldern und Lagetoleranzen des Sensors ist.

Nachteilig an anderen bekannten Systemen, die beispielsweise auf Basis von Schiebelehren beruhen, ist, dass sie ublicher- weise mkremental arbeiten, d.h., dass eine Information über die Absolutposition des bewegten Bauteils nur dann zur Verfugung steht, wenn vor der Messung eine Nullpunktposition, entsprechend einem Grundausgangssignal des Sensors, festgelegt wird. Wird beispielsweise im Fall einer Sitzverstellung zu- nächst der Sitz verstellt, bevor der Motor und damit die Autoelektrik und -elektronik in Gang gesetzt wird, ist es mit den bekannten Positionssensoren praktisch unmöglich, die exakte Position des Sitzes zu bestimmen. Zudem weisen die bekannten magnetischen Positionssensoren eine grosse Abhangig- keit von der Amplitude des detektierten Magnetfelds auf. Dies bedingt, dass beispielsweise der Hallsensor sehr genau in Bezug auf die Flussleitschienen justiert sein muss. Ungenauig- keiten in der Justierung oder erschutterungsbedmgte Verstellungen wirken sich unmittelbar negativ auf die Messergebnisse aus .

Aus der WO 2004/015375 Al ist ein magnetoresistiver Linearpo- sitionssensor bekannt, der auf der Basis von magnetoresisti- ven Detektoren arbeitet, welche derart angeordnet sind, dass sie wenigstens zwei Wheatstonebrucken bilden, die ein gemeinsames Zentrum aufweisen und gegeneinander verdreht sind. Mit Hilfe der beiden Wheatstonebrucken wird aus den abgegriffenen Bruckenspannungen der beiden Wheatstonebrucken, die sich beim translatoπschen Vorbeibewegen eines in einem bestimmten Abstand angeordneten Stabmagneten bzw. einer Magnetanordnung verandern, auf die Richtung der magnetischen Flussdichte zu- ruckgeschlossen. Für einen in Translationsrichtung durchmag- netisierten Stabmagneten ergeben sich von einem Pol des Magneten zum anderen sinusförmige Verlaufe der Flussdichte. Aus der Überlagerung der von den beiden Wheatstonebrucken gemessenen sinusförmigen Verlaufen kann ein im wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen dem Verschiebeweg des Stabmagneten und der Änderung des Winkels des Vektors der magnetischen

Flussdichte hergestellt werden. Somit kann aus der Richtung des Vektors der magnetischen Flussdichte auf die Lange des Verschiebewegs zurück geschlossen werden. Die Sensorempfmd- lichkeit hangt von der Lange des Stabmagneten bzw. von der Gesamtlange der Magnetanordnung und von der Magnetpolform ab. Auch müssen der bzw. die Magnete in einem sehr genau definierten Abstand zur Anordnung der beiden Wheatstonebrucken angeordnet sein. Die Magnetfeldstarke muss gross genug sein, damit sich die einzelnen magnetoresistiven Detektoren im Sat- tigungszustand befinden, um zu verhindern, dass sich der Widerstand der magnetoresistiven Detektoren in Abhängigkeit vom Betrag der magnetischen Flussdichte verändert und die Messergebnisse verändert. Dieser bekannte Lmearpositionssensor bestehend aus einer Anzahl von magnetoresistiven Detektoren, die zu wenigstens zwei zueinander verdrehten Wheatstonebrucken zusammengefasst sind, und einer Magnetanordnung ist relativ komplex und erfordert einen relativ grossen Aufwand für die Justierung der Bauteile zueinander. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine magnetische Linearsensoranordnung zu schaffen, die es ermöglicht, einfach und ohne grossen elektronischen Aufwand einen entlang einer vorgegebenen Bahn zurückgelegten Verfahrweg zu erfassen und die Absolutposition des verstellbaren Bauteils festzustellen. Die magnetische Linearsensoranordnung soll nicht unbedingt zwangsgefuhrt werden müssen. Die Anforderungen an die Justiergenauigkeit sollen verringert sein und die Linearsen- soranordnung weitgehend unempfindlich gegenüber Erschütterungen sein. Die Linearsensoranordnung soll verschleissfrei arbeiten und einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweisen.

Diese Aufgaben werden durch die erfindungsgemasse magnetische Linearsensoranordnung gelost, wie sie im unabhängigen Patentanspruch 1 definiert ist. Weiterbildungen und/oder vorteilhafte Ausfuhrungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der abhangigen Ansprüche.

Die erfindungsgemasse magnetische Linearsensoranordnung zur Erfassung der Lage eines entlang einer vorgegebenen Stellbahn verstellbaren Bauteils besitzt eine entlang der Stellbahn angeordnete Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, dessen Polarität sich entlang der Stellbahn des Bauteils verändert, und wenigstens einen im Wirkungsbereich des Magnetfelds angeordneten galvanomagnetischen Detektor mit wenigstens zwei Messfeldern. Der Detektor ist relativ zum Magnetfeld entlang der Stellbahn des Bauteils verstellbar. Bei dem galvanomagne- tischen Detektor handelt es sich um einen Hallsensor, der dazu ausgebildet ist, das Magnetfeld in wenigstens zwei Richtungen in einer Ebene oder räumlich zu messen. Dazu ist der Hallsensor vorzugsweise mit wenigstens zwei Messfeldern aus- gestattet, die in einer von ihnen aufgespannten Ebene senkrecht zueinander verdreht sind.

Indem ein Hallsensor mit wenigstens zwei zueinander verdreh- ten Messfeldern eingesetzt wird, ist der magnetische Linearsensor unmittelbar zur vektoriellen Auswertung des Magnetfeldes ausgebildet. Es ist kein komplizierte Umweg über gegeneinander verdrehte Wheatstonebrucken erforderlich, um die Veränderung des Winkels der magnetischen Flussdichte zu er- mittein. Die beiden Messfelder spannen eine Ebene mit definierten x- und y-Richtungen auf. Der Winkel der magnetischen Flussdichte ergibt sich über eine Arcustangensbeziehung unmittelbar aus den vom Hallsensor detektierten x- und y- Komponenten des Magnetfeldvektors und weist eine praktisch lineare Abhängigkeit vom Verschiebeweg auf. Die Magnetfeldstarke spielt eine untergeordnete Rolle. Sie dient allenfalls dazu, festzustellen, ob sich der Hallsensor überhaupt im Einflussbereich des Magnetfeldes befindet. Die Magnetfeldstarken müssen nicht so hoch sein, wie bei Sensoren des Stands der Technik, da Sattigungsemflusse magnetoresistiver Elemente keine Rolle spielen. Die magnetische Linearsensoranordnung besitzt einen einfachen und robusten Aufbau. Die Anforderungen an die Justiergenauigkeit sind unkritisch, da die Magnetfeldstarke nur einen geringen Emfluss auf die Messung be- sitzt.

Indem die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes vorzugsweise senkrecht zur Verschieberichtung und parallel zur Ebene der Messfelder des Hallsensors durchmagnetisiert ist, wirkt sie quasi als punktförmige Magnetfeldquelle und räumliche Ausdehnungseinflusse auf den Vektor der magnetischen Flussdichte sind vernachlassigbar . Indem die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes entlang der Stellbahn mit Vorteil wenigstens zweimal ihre Polarität ändert, beschreibt der Vektor der magnetischen Flussdichte 360°. Dadurch ist ein grosserer Verschiebeweg erfassbar.

In einer zweckmassigen Ausfuhrungsvariante der magnetischen Linearsensoranordnung weist die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds wenigstens zwei Permanentmagnete auf, die im Abstand voneinander entlang der Verstellbahn angeordnet sind und entgegengesetzte Polaritäten besitzen. Die Einzelmagnete bilden guasi punktförmige Magnetfeldquellen, relativ zu deren Einflussbereich der Hallsensor verstellbar ist. Dabei wird die Veränderung der Richtung des Vektors der magnetischen Flussdichte in einem Bereich von 0° bis 180° erfasst und dar- aus der Verstellweg ermittelt.

Es erweist sich von Vorteil, wenn die Magnete eine in Verschieberichtung gemessene Lange aufweisen, die zu einer in ihrer Magnetisierungsrichtung gemessenen Breite ein Verhalt- nis von 2:1 bis 10:1 besitzt. Dies verbessert die Storfestig- keit gegenüber Magnetfeldern von Fremdmagneten oder von fer- romagnetischen Teilen, die sich in der Umgebung befinden oder auf den Magneten haften. Die Langsstreckung hat zwar Einfluss auf die Linearitat. Die geringe Nichtlinearitat ist jedoch mit im Sensor integrierten Look-up Tabellen korrigierbar. Die Magnete weisen bevorzugt eine Hohe auf, die typischerweise zur Breite ein Verhältnis von 1 : 5 bis 5 : 1 aufweisen.

Der Magnetwerkstoff spielt für die Qualität des magnetischen Linearsensors eine untergeordnete Rolle. Dennoch werden relativ starke Magnete bevorzugt, die aus Materialien bestehen, die aus der Gruppe bestehend aus SmCo, Ferriten, NdFeB und kunststoffgebundenen Varianten dieser Stoffe gewählt sind. Mit einer Anordnung von drei Einzelmagneten mit jeweils entgegengesetzter Polarität ist die Veränderung des Vektors der magnetischen Flussdichte in einem Bereich von 0° bis 360° er- fassbar. Dadurch wird bereits ein relativ langer Messbereich von beispielsweise bis zu 300 mm erzielt. Für manche Anwendungen ist es jedoch wünschenswert, den Messbereich noch weiter auszudehnen. Dazu weisen wenigstens einzelne der entlang der Stellbahn hintereinander angeordneten Magnete voneinander verschiedene Abstande von der von den Messfeldern des Hallsensors aufgespannten Ebene auf. Indem der Abstand einzelner der Magnete von der von den Messfeldern des Hallsensors aufgespannten x,y-Ebene variiert wird, kann auch die z-Komponen- te des Vektors der magnetischen Flussdichte für die Messung herangezogen werden, um den Messbereich zu erweitern. Wahrend die Auswertung der x- und y-Komponenten des Vektors der magnetischen Flussdichte für die Messung von 0° bis 360° und den jeweiligen Bezug zum Verschiebeweg innerhalb einer Dreiergruppe von Magneten von Nordpol zu Sudpol zu Nordpol (bzw. Sudpol zu Nordpol zu Sudpol) dient, wird die z-Komponente dazu herangezogen, die verschiedenen Dreiergruppen von Magneten und damit die Periode der Drehung des Vektors zu bestimmen. Dadurch kann der Messbereich des magnetischen Linearsensors nahezu beliebig vergrossert werden. Dabei handelt es sich nicht um eine inkrementale Messung, sondern der Verschiebeweg wird absolut gemessen. Der momentane Wert der z-Komponente gibt an, um welche Dreiergruppe von Magneten bzw. um welche 360° Periode es sich handelt und liefert dadurch zusammen mit dem aus den x- und y-Komponenten ermittelten Winkel den Abso- lutwert des Verschiebewegs. Im Fall beispielsweise der Messung des Verschiebewegs eines Fahrzeugsitzes ist die Messung dadurch unabhängig von einer Nullpunktbestimmung. Auch wenn der Fahrersitz verstellt wurde, bevor die Zündung und damit die Elektronik eingeschaltet wurde, kann mit der magnetischen Linearsensoranordnung die Position des Sitzes exakt bestimmt werden.

Eine Ausführungsvariante der magnetischen Linearsensoranordnung sieht beispielsweise vor, dass die entlang der Stellbahn hintereinander angeordneten Magnete paarweise zusammengefasst sind und jeweils paarweise einen zunehmenden Abstand von der von den Messfeldern des Hallsensors aufgespannten Ebene auf- weisen. Die einzelnen Magnetpaare stehen jeweils für einen

Winkelmessbereich von 0° - 180°, der dem jeweiligen Verschiebeweg entlang einem Magnetpaar (Nordpol - Südpol) entspricht. Die unterschiedlichen z-Koordinaten der Magnetpaare dienen dann zur Unterscheidung der verschiedenen Magnetpaare und ge- ben damit den erweiterten Distanzmessbereich an.

Eine weitere Ausführungsvariante der magnetischen Linearsensoranordnung sieht vor, dass die entlang der Stellbahn angeordneten Magnete gruppenweise zusammengefasst sind und ab- wechselnd in positive und negative Richtung gezählte Abstände von der von den Messfeldern des Hallsensors aufgespannten Ebene aufweisen, die in Verschieberichtung zunehmen oder abnehmen. Beispielsweise handelt es sich um Gruppen von jeweils drei Einzelmagneten, welche innerhalb einer Dreiergruppe von Magneten (Nordpol - Südpol - Nordpol bzw. Südpol - Nordpol - Südpol) jeweils die Erfassung einer vollen 360° Periode des Vektors der magnetischen Flussdichte erlauben. Die z- Komponente der jeweiligen Dreiergruppe liefert dann die Information über die jeweilige 360° Periode bzw. die jeweilige Dreiergruppe. Zusammen mit dem gemessenen Winkel des Vektors der magnetischen Flussdichte erlaubt es die z-Komponente, den Absolutwert des Verschiebewegs zu bestimmen. In einer alternativen Ausfuhrungsvariante der magnetischen Linearsensoranordnung weisen eine Anzahl aufeinanderfolgender Magnete, die im Abstand voneinander entlang der Stellbahn angeordnet sind und senkrecht zur Verschieberichtung durchmag- netisiert sind, Magnetisierungsrichtungen auf, die miteinander jeweils einen Winkel grosser 0° emschliessen. Die Magnetisierungsrichtungen aufeinanderfolgender Magnete verlaufen jeweils senkrecht zur Verschieberichtung, sie schliessen miteinander und mit der von den Messfeldern des Hallsensors auf- gespannten Ebene jedoch verschiedene Winkel ein. Daraus ergeben sich unterschiedliche z-Komponenten, aus denen auf die jeweilige Periode geschlossen werden kann.

Eine besonders einfache Variante, die Magnetisierungsrichtun- gen aufeinanderfolgender Magnete zu verandern, besteht darin, Magnete achsparallel zueinander auszurichten, aber gegeneinander verdreht anzuordnen.

Für die Erfassung räumlicher Stellbahnen sind in einer weite- ren Variante der Erfindung die Magnete entlang einer entsprechenden beliebigen Kurve im Raum angeordnet.

Der Hallsensor der magnetischen Linearsensoranordnung kann zur Erfassung der Verstellung des Bauteils eine beliebige Kurve im Raum beschreiben und kann auch hinsichtlich der Ausrichtung seiner Messfelder rotierbar sein.

Als Anwendungen für die erfindungsgemasse magnetische Linearsensoranordnung kommen allgemeine Lmearsensorik, msbesonde- re die beruhrungslose Erfassung der Stellposition von Bauteilen in einem Fahrzeug, die Wegmessung von Stossdampfern und elektrischen, pneumatischen und hydraulischen Zylindern und dergleichen in Frage. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Prinzipdarstellungen von Ausfuhrungsbeispielen der erfmdungsgemassen magnetischen Li- nearsensoranordnung . Es zeigen in nicht massstabsgetreuer Darstellung:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines ersten Ausfuhrungs- beispiels der erfmdungsgemassen magnetischen Lmearsen- soranordnung mit zwei entgegengesetzt polarisierten Permanentmagneten und einem Hallsensor;

Fig. 2 eine Variante der magnetischen Linearsensoranordnung mit drei Permanentmagneten;

Fig. 3 eine magnetische Linearsensoranordnung mit einer beliebigen Anzahl von jeweils entgegengesetzt polarisierten Permanentmagneten;

Fig. 4 eine schematische Andeutung zweier gegeneinander verdrehter Permanentmagneten;

Fig. 5 eine Ausfuhrungsvariante einer magnetischen Linearsensoranordnung mit m Bezug auf eine dritte Raumkoordi- nate zueinander versetzt angeordneten Permanentmagneten;

Fig. 6 eine alternative Ausfuhrungsvariante einer magnetischen Linearsensoranordnung in Analogie zu Fig. 5;

Fig. 7 eine weitere Ausfuhrungsvariante einer magnetischen Linearsensoranordnung mit gruppenweise zusammengefassten und in Bezug auf eine dritte Raumkoordinate zueinander versetzt angeordneten Permanentmagneten; Fig. 8 eine Ausfuhrungsvariante einer magnetischen Linearsensoranordnung mit alternierendem positiven und negati^¬ ven und zunehmendem Abstand der Permanentmagnete von ei- ner Stellbahn eines Bauteils;

Fig. 9 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer magnetischen

Linearsensoranordnung mit alternierend um positive bzw. negative Winkel zueinander verdrehten Permanentmagneten;

Fig. 10 eine magnetische Linearsensoranordnung bei einer schräg zur Anordnung der Permanentmagneten verlaufende

Stellbahn eines Bauteils; und

Fig. 11 eine magnetische Linearsensoranordnung mit beliebig im Raum angeordneten Permanentmagneten und beliebiger Raumkurve, die bei der Verstellung eines Bauteils vom Hallsensor beschrieben wird.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer magnetischen Linearsensoranordnung gemass der Erfindung schematisch dargestellt und gesamthaft mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die magnetische Linearsensoranordnung 10, die beispielsweise im Automobilbau zur Überwachung eines verschiebbaren Bau- teils, beispielsweise eines Sitzes oder eines Gaspedals, zur Wegmessung von Stossdampfern oder von elektrischen, pneumatischen und hydraulischen Zylindern und dergleichen zum Einsatz kommen kann, umfasst einen galvanomagnetischen Detektor, der von einem Hallsensor 1 gebildet ist, und wenigstens zwei Per- manentmagnete 4, 5 mit entgegengesetzen Polaritäten J, die in einem Abstand a entlang einer Verstellbahn für ein zu überwachendes Bauteil angeordnet sind. Der Hallsensor 1 ist üblicherweise mit dem verstellbaren Bauteil verbunden, wahrend die Permanentmagnete 4, 5 stationär entlang der Stellbahn angeordnet sind. Der Hallsensor 1 ist zur vektoriellen Auswertung des von den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Feldes ausgebildet und weist dazu wenigstens zwei Hallmess- feider 2, 3 auf, die in der von ihnen aufgespannten x,y-

Ebene, die in Fig. 1 durch die Koordinatenachsen x und y angedeutet ist, um 90° gegeneinander verdreht sind. Dadurch kann der Hallsensor 1, der vorzugsweise eine integrierte Auswerteeinheit umfasst, bei einer Verstellung relativ zu den Permanentmagneten 4, 5 die x- und die y-Komponenten des Vektors der magnetischen Flussdichte des von den Permanentmagneten 4, 5 erzeugten Magnetfeldes detektieren und daraus über eine Arcustangensbeziehung den Winkel des Vektors der magnetischen Flussdichte ermitteln.

Bei der Verschiebung des Hallsensors 1 entlang des von den beiden entgegengesetzt polarisierten (durchmagnetisierten) Permanentmagneten 4, 5 erzeugten Magnetfeldes durchlauft der Vektor der magnetischen Flussdichte einen Wmkelbereich von 180°, der unmittelbar mit der Lange der Verschiebestrecke in Bezug gesetzt wird, um daraus unmittelbar die exakte Position des überwachten Bauteils zu bestimmen. Somit stellt die er- findungsgemasse Linearsensoranordnung eine Verwendung eines Winkelsensors für eine Linearmessung dar. Die beiden Perma- nentmagnete 4, 5 bilden dabei quasi punktförmige Magnetfeldquellen. Der Abstand der Hallmessfelder 2, 3 des Hallsensors 1 von den Permanentmagneten 4, 5 betragt beispielsweise 6 mm. Die Permanentmagnete 4, 5 besitzen beispielsweise eine Eigenremanenz von ca. I T. Die Toleranz hinsichtlich der Positio- niergenauigkeit des galvanomagnetischen Detektors in Bezug auf die Permanentmagnete ist sehr hoch und betragt bis zu einigen Zentimetern. Entsprechend ist das System robust und er- schutterungsunempfindlich. Aus der detektierten absoluten Magnetfeldstarke kann ermittelt werden, ob sich der Hallsensor überhaupt im Einflussbereich des Magnetfeldes befindet. Je nach Dimensionierung der Magnete 4, 5 und deren Abstand a kann mit einer derartigen Linearsensoranordung ein Verstell- bereich von bis zu 300 mm, typischerweise bis zu 100 mm, realisiert werden. Typischerweise betragt der Abstand a der benachbarten Permanentmagnete 4, 5 bis zu 50 mm.

Zweckmassigerweise weisen die Permanentmagnete eine m Ver- Schieberichtung x gemessene Lange auf, die zu einer quer (y- Richtung) dazu gemessenen Breite ein Verhältnis von 2 : 1 bis 10 : 1 aufweist. Eine magnetische Linearsensoranordnung 10 für einen Messbereich von bis zu 100 mm weist dabei typischerweise Permanentmagnete einer Breite von 3 mm - 5 mm. Die Lange der Magnete betragt dann bis zu 50 mm. Die Hohe der Permanentmagnete ist kleiner oder gleich ihrer Breite und bewegt sich im Bereich von mm bis mehrere mm. Wegen der besseren Storfestigkeit gegenüber Magnetfeldern von Fremdmagneten oder gegenüber Störungen durch ferromagnetische Teile, die sich in der Umgebung befinden oder auf den Magneten anhaften, ist es vorteilhaft die Magnete in Längsrichtung zu strecken. Dies hat zwar einen Einfluss auf die Lmearitat der Wmkel- Langenbeziehung, kann jedoch durch in der Auswerteeinheit des Hallsensors integrierte Look-up Tabellen sehr einfach korri- giert werden. Der Magnetwerkstoff spielt nur eine untergeordnete Rolle, starke Magnete werden jedoch bevorzugt. Typischerweise kommen Permanentmagnete aus SmCo, Ferriten oder NdFeB zum Einsatz, die auch kunststoffgebunden sein können.

Fig. 2 zeigt eine magnetische Linearsensoranordnung, die gesamthaft mit dem Bezugszeichen 20 versehen ist. Sie weist wiederum einen Hallsensor 1 mit wenigstens zwei Hallmessfeldern 2, 3 auf, der in Bezug auf ein von Permanentmagneten 4, 5, 6 erzeugtes Magnetfeld verstellbar ist. Die Permanentmagnete 4, 5, 6 benachbarter Magnete weisen jeweils entgegengesetzte Polaritäten J auf. Wahrend beispielsweise der Magnet 4 dem Betrachter den magnetischen Nordpole zukehrt, zeigt der Magnet 5 seinen magnetischen Sudpol, und sieht der Betrachter beim Magneten 6 wieder auf dessen magnetischen Nordpol. Bei der Verstellung des Hallsensors 1 relativ zu den Permanentmagneten 4, 5, 6 wechselt der Vektor der magnetischen Flussdichte vom Nordpol zum Sudpol und wieder zurück zum Nordpol, d.h. er beschreibt einen Wmkelbereich von 360°. Wie bei dem in Fig. 1 beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel kann aus dem Winkel der magnetischen Flussdichte unmittelbar auf die vom Hallsensor bzw. dem überwachten Bauteil zurückgelegte Wegstrecke bzw. auf die absolute Position des Bauteils zu- ruckgeschlossen werden. Der vom Vektor der magnetischen

Flussdichte beschriebene 360° Winkeibereich wird somit unmittelbar in eine lineare Wegstreckeninformation umgesetzt.

Fig. 3 zeigt eine magnetische Linearsensoranordnung 30, die wiederum einen Hallsensor 1 und eine Anzahl von periodisch entlang einer Stellbahn T eines Bauteils angeordneten Permanentmagneten 4, 5, 6, 7. Obwohl dies in Fig. 3 nicht dargestellt ist, weisen jeweils benachbarte Permanentmagnete wiederum entgegengesetzte Polaritäten auf. Beim Hallsensor 1 wurde auf die Andeutung der Hallmessfelder verzichtet. Die Darstellung in Fig. 3 zeigt die Linearsensoranordnung 30 in eine Draufsicht auf die von den Hallmessfeldern aufgespannte x,y-Ebene. Dies ist in der Darstellung durch das Koordinatensystem x und z angedeutet.

Die periodische Anordnung der Permanentmagnete 4 - 7 erzeugt ein periodisches Magnetfeld, bei dessen Überfahren der Hallsensor ein sich periodisch wiederholendes Sensorsignal er- zeugt. Nach drei Permanentmagneten unterschiedliche Polarität beginnt der Vektor der magnetischen Flussdichte eine neue 360° Periode. Damit die einzelnen Perioden auseinander gehalten werden können, sind beispielsweise die aufemanderfolgen- den Magnete gegeneinander verdreht. Dies ist in Fig. 4 am Beispiel der Permanentmagnete 4 und 5 angedeutet, die eine gemeinsame Achse aufweisen, deren Längsseiten jedoch miteinander einen Winkel grosser oder kleiner 0° {je nach Zahlkon- vention) einschliessen. Durch die Verdrehung benachbarter Ma- gnete zueinander weisen die Magnete für den Hallsensor eine unterschiedliche Magnetisierungsrichtung auf, die für die Unterscheidung der 360° Perioden herangezogen wird.

Eine in Fig. 5 dargestellte Ausfuhrungsvariante einer magne- tischen Linearsensoranordnung ist gesamthaft mit dem Bezugszeichen 50 versehen. Sie umfasst wiederum einen Hallsensor 1, der für die vektoπelle Auswertung des detektierten Magnetfeldes ausgebildet ist, und eine Anordnung von Permanentmagneten 4, 5, 6, 7. Jeweils in Verschieberichtung T benachbarte Permanentmagnete weisen entgegengesetzte Polaritäten auf. Die Permanentmagnete sind beispielsweise paarweise zusammenge- fasst und weisen paarweise unterschiedliche Abstande c von der von den Hallmessfeldern des Hallsensors 1 aufgespannten x,y-Ebene auf. Die Auswertung der z-Komponente des von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes kann so zu Ermittlung der jeweiligen 180° Periode herangezogen werden. Dadurch können deutlich grossere Langenbereiche abgedeckt werden. Beispielsweise kann so mit einer Anordnung von 10 Paaren von Permanentmagneten einer Abmessung (BreitexHohexLange) 4x4x20 mm ein Langenbereich bis zu 1 Meter und mehr abgedeckt werden. Fig. 6 zeigt wiederum eine magnetische Linearsensoranordnung 60 mit einem Hallsensor 1 und einer periodischen Magnetanordnung 4, 5, 6 und 7. Jeweils entlang einer Verschieberichtung T benachbarte Magnete weisen wiederum entgegengesetzte PoIa- ritäten auf. Das beim Überfahren der Magnete 4 - 7 vom Hallsensor 1 ermittelte Sensorsignal bezüglich des Winkels der magnetischen Flussdichte wiederholt sich periodisch. Die zu Dreiergruppen zusammengefassten Magnete decken dabei eine Periode von 360° ab. Ein einzelner darauf folgender Magnet 7 mit Offset in z-Richtung erlaubt eine Unterscheidung der jeweiligen 360° Periode.

Eine in Fig. 7 dargestellte magnetische Linearsensoranordnung trägt gesamthaft das Bezugszeichen 60. Sie weist einen HaIl- sensor 1 und eine Anzahl von in Dreiergruppen entlang einer Verschiebestrecke T angeordneten Permanentmagneten 4, 5, 6 bzw. 7, 8, 9 bzw. A\ 5\ 6^X und 7\ 8\ 9^λ auf. Jede der Dreiergruppen weist einen bestimmten Abstand cl, c2, c3, c4 in z-Richtung des von den Magneten erzeugten Magnetfeldes auf. Eine Dreiergruppe entgegengesetzt polarisierten Einzelmagnete erlaubt die Erfassung eines 360° Bereichs des Vektors der magnetischen Flussdichte. Die unterschiedlichen Abstände cl, c2, c3, c4 der einzelnen Dreiergruppen von der von den Hallmessfeldern des Hallsensors 1 definierten x,y-Ebene er- laubt eine Unterscheidung der jeweiligen Periode und damit eine absolute Bestimmung des mit dem überwachten Bauteil bewegten Hallsensors 1. Beispielsweise werden 10 Dreiergruppen von entgegengesetzt polarisierten (Nordpol, Südpol, Nordpol) Permanentmagneten zusammengefasst, um einen relativ grossen Verstellbereich von typischerweise bis zu 2 Metern zu realisieren . Eine in Fig. 8 dargestellte magnetische Linearsensoranordnung ist gesamthaft mit dem Bezugszeichen 80 versehen. Sie umfasst eine Anordnung von Permanentmagneten 4, 5, 6, 7, 8, 9, die zu beiden Seiten entlang einer Stellbahn T angeordnet sind und jeweils einen in Richtung der z-Komponente des von ihnen erzeugten Magnetfeldes gemessenen Abstand von der von den Hallmessfeldern des Hallsensors 1 aufgespannten Ebene aufweisen, der sich vergrössert. Auch diese Anordnung erlaubt die Unterscheidung unterschiedliche Messperioden. Zusätzlich können die Einzelmagnete auch noch alternierend gegenüber der von den Hallmessfeldern aufgespannten Ebene verdreht sein, was in Fig. 9 angedeutet ist.

Fig. 10 zeigt eine magnetische Linearsensoranordnung 30 ge- mäss der Darstellung in Fig. 3. Durch die in Richtung der z- Koordinate gekippte Stellbahn T ist angedeutet, dass die Verstellung nicht exakt in Richtung der Anordnung der Permanentmagnete erfolgen muss.

Fig. 11 schliesslich, zeigt eine magnetische Linearsensoranordnung 110, bei der die Anordnung der Permanentmagnete 4, 5, 6, 7 nicht auf eine Ebene beschränkt ist, sondern diese entlang einer beliebig im Raum verlaufenden Bahn angeordnet sind. Der Hallsensor 1 bewegt sich relativ zu den Permanent- magneten entlang einer Stellbahn T, die eine räumliche Kurve beschreibt. Zusätzlich kann der Hallsensor 1 auch relativ zu den räumlich angeordneten Permanentmagneten gedreht werden.

Es versteht sich, dass bei allen Darstellungen benachbarte Permanentmagnete entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Die jeweilige Betrachtungsrichtung ist durch die Koordinatensysteme x, y bzw. x, z bzw. x,y,z angedeutet.

Claims

Patentansprüche

1. Magnetische Linearsensoranordnung zur Erfassung der Lage eines entlang einer vorgegebenen Stellbahn (T) verstell- baren Bauteils, mit einer entlang der Stellbahn (T) angeordneten Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, dessen Polarität (J) sich entlang der Stellbahn (T) des Bauteils verändert, und wenigstens einem im Wirkungsbereich des Magnetfelds angeordneten galvanomagnetischen Detektor mit wenigstens zwei Messfeldern, der relativ zum Magnetfeld entlang der Stellbahn (T) des Bauteils verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet., dass der galvanomagnetische Detektor ein Hallsensor (1) ist, der dazu ausgebildet ist, das Magnetfeld in einer Ebene (x,y) oder räumlich (x,y,z) zu messen.

2. Magnetische Linearsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (1) wenigstens zwei Messfelder (2, 3) aufweist, die in einer von ihnen aufgespannten Ebene (x,y) senkrecht zueinander verdreht sind.

3. Magnetische Linearsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Er- zeugung des Magnetfeldes senkrecht zur Verschieberichtung (T) und vorzugsweise parallel zur Ebene der Messfelder (2, 3) des Hallsensors (1) durchmagnetisiert ist.

4. Magnetische Linearsensoranordnung nach Anspruch 3, da- durch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes entlang der Stellbahn wenigstens zweimal ihre Polarität (J) ändert.

5. Magnetische Linearsensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds wenigstens zwei Permanentmagnete (4, 5) umfasst, die im Abstand (a) voneinander entlang der Verstellbahn (T) angeordnet sind und entgegengesetzte Polaritäten (J) aufweisen.

6. Magnetische Linearsensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete eine in Verschie- berichtung (T) gemessene Lange aufweisen, die zu einer in ihrer Magnetisierungsrichtung gemessenen Breite ein Verhältnis von 2:1 bis 10:1 besitzt.

7. Magnetische Linearsensoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete aus Materialien bestehen, die aus der Gruppe bestehend aus SmCo, Ferriten, NdFeB und kunststoffgebundenen Varianten dieser Stoffe gewählt sind.

8. Magnetische Linearsensoranordnung nach einem der Ansprüche 5 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einzelne der entlang der Stellbahn hintereinander angeordneten Magnete voneinander verschiedene Abstande (c; cl, c2, c3, c4) von der von den Messfeldern (2, 3) des HaIl- sensors (1) aufgespannten Ebene (x,y) aufweisen.

9. Magnetische Linearsensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die entlang der Stellbahn (T) hintereinander angeordneten Magnete paarweise zusammen- gefasst sind und jeweils paarweise einen zunehmenden Abstand von der von den Messfeldern (2, 3) des Hallsensors (1) aufgespannten Ebene (x,y) aufweisen.

10. Magnetische Linearsensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die entlang der Stellbahn (T) angeordneten Magnete gruppenweise zusammengefasst sind und abwechselnd in positive und negative Richtung ge- zahlte Abstande (c; cl, c2, c3, c4) von der von den Messfeldern (2, 3) des Hallsensors (1) aufgespannten Ebene (x,y) aufweisen, die in Verschieberichtung (T) zunehmen oder abnehmen.

11. Magnetische Linearsensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes eine Anzahl von Magneten aufweist, die im Abstand voneinander entlang der Stellbahn (T) angeordnet sind und senkrecht zur Verschieberichtung (T) durchmagnetisiert sind, wobei die Magnetisierungsrichtungen (J) aufeinanderfolgender Magnete miteinander einen Winkel grosser 0° einschliessen.

12. Magnetische Linearsensoranordnung nach Anspruch 11, da- durch gekennzeichnet, dass die aufeinanderfolgenden Magnete (4 - 7) achsparallel zueinander ausgerichtet, aber gegeneinander verdreht angeordnet sind.

13. Magnetische Linearsensoranordnung nach einem der Anspru- che 8 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor

(1) dazu ausgebildet ist, als weitere Lageinformation, insbesondere zur Bestimmung einer Magnetgruppe, die Komponente (z) des Magnetfelds senkrecht zu der von den Messfeldern (2, 3) aufgespannten Ebene (x,y) zu messen.

14. Magnetische Linearsensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellbahn (T) eine beliebige Kurve im Raum beschreibt.

15. Magnetische Linearsensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (1) bei der Verstellung eine beliebige Kurve (T) im Raum beschreibt und hinsichtlich der Ausrichtung seiner Messfelder rotierbar ist.

16. Verwendung einer magnetischen Linearsensoranordnung ge- mass einem der Ansprüche 1 - 15 zur beruhrungslosen Er- fassung der Stellposition eines Bauteils in einem Fahrzeug oder zur Wegmessung von Stossdämpfern oder elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Zylindern.